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[기술특집] 레이저 클리닝의 금형에 대한 응용

입력 : 2020.10.23 01:12

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[헬로티]


히노 마코토 (日野 實)   히로시마공업대학


18세기에 영국을 중심으로 확산된 산업혁명에서는 증기기관이 발명되어 방적업이 발달했다. 이어서 19세기에는 자동차가 출현하고, 20세기에는 셀 수 없을 정도의 발명이 이루어졌다. 


그 중에서 컴퓨터와 함께 20세기의 2대 발명으로 위치매김하고 있는 레이저(LASER; Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, 빛의 유도 증폭 작용)은 1960년 미국의 T.H.Maiman에 의해 발명됐으며, 그는 그 업적으로 노벨물리학상을 수상했다. 그 발명으로부터 60년이 지난 현재, 레이저 기술은 모든 산업 분야에 적용되고 있다.


레이저는 산업 기술이면서 ‘발명을 낳는 기술(innovative technology)’로서 21세기에 들어서도 노벨상 수상자를 배출하고 있다. 특히 2014년에는 청색 발광 다이오드의 발명과 실용화에 의해 3명의 일본인이 노벨물리학상을 수상했다. 이와 같이 레이저는 항상 새로운 물리 분야를 개척하는 툴로서도 연구자들을 끌어들이고 있다.


레이저를 응용한 가공은 정밀 가공 기술로서 기존의 가공 기술로는 불가능했던 난가공을 가능하게 하고, 앞으로도 성장하는 기술로서 무한의 가능성을 숨기고 있다. 세정 분야에서도 지금까지 일반적으로 이루어지고 있던 약제 등에 의한 화학적 혹은 매체 등의 기계적 처리를 대신해 최근 새로운 기술로서 세정 공정에 레이저가 적용되기 시작하고 있다.



이 글에서는 레이저 가공의 특징 및 가공용 레이저의 종류와 특징을 설명하는 동시에, 최근 환경에 친화적인 기술로서 주목받고 있는 ‘레이저 클리닝’에 대해 개설하고, 금형에 대한 응용 예도 함께 소개한다.


레이저 가공


1. 레이저 가공의 특징 및 변천


레이저 가공은 레이저광을 에너지원으로 가공에 사용하는 고에너지빔 가공의 일종이다. 고에너지빔으로서는 레이저 외에도 전자빔이나 이온빔 등이 있는데, 레이저광은 파워의 전송성이 우수할 뿐만 아니라 전자빔 및 이온빔이 진공 중에서만 사용 가능한 것에 대해, 레이저는 대기 중이나 특수 분위기에서 가공이 가능하므로 가공 환경에 제한 없이 사용할 수 있다는 특징이 있다.


레이저광은 공간적 및 시간적인 코히런스성(가간섭성)이 우수하며, 그렇기 때문에 우수한 집광성을 얻을 수 있으므로 고밀도 열원으로서 미세 가공을 쾌속으로 할 수 있고, 열영향층이나 열적 변형이 적은 정밀한 가공을 실현할 수 있다. 


또한 비접촉가공이기 때문에 가공 중의 반력이 없고, 플라스틱, 천, 고무 등의 연질 재료나 극박판재를 변형 없이 가공할 수 있다. 그리고 가공용 레이저로서는 발진 출력이나 발진 파장, 펄스 발진 동작특성 등 여러 가지 동작 형태의 레이저를 선택할 수 있고, 레이저의 우수한 광제어성을 이용해 피가공물에 물리적 혹은 화학적인 변화를 불러일으킬 수 있다.


레이저의 역사적인 변천으로서 1960년에 루비 레이저가 발명된 이래, 여러 가지 레이저가 개발됐으며, 이와 함께 레이저 가공의 연구도 활발히 이루어져 왔다. 


공업에 대한 응용 예로서는 1970년대에 주로 CO2 레이저가 판금의 절단, 구멍뚫기, 용접 등 열가공을 중심으로 보급되기 시작해, 1980년대에는 고출력 Nd:YAG 레이저광의 석영광 파이버에 의한 전송이 실현되어 원자력 발전소의 증기배관의 보수 용접이나 자동차 보디의 절단 등에 사용되게 됐다.


한편 1976년에 간단한 방전여기 방식에 의해 자외선 영역에서 고출력을 얻을 수 있는 엑시머 레이저가 개발됐으며, 그 이후 단파장 레이저의 높은 광자 에너지에 의한 광 프로세스를 이용한 연구 개발이 활발히 이루어져 1990년대 후반부터 반도체 집적회로의 양산용으로서 엑시머 레이저 리소그래피가 도입됐다. 


또한 최근 고피크 광강도의 초단 펄스 레이저를 이용한 비열적 과정을 가미한 새로운 프로세스 응용의 연구 개발도 활발히 이루어지고 있다.


2. 가공용 레이저의 종류 및 가공 파라미터


레이저는 레이저 매질의 종류, 여기 방식, 레이저 발진 파장이나 발진 동작 형태 등에 관해 수많은 종류가 있으며, 사용 목적에 따른 레이저를 선택하는 것이 매우 중요하다. 표에 대표적인 레이저와 그 매질의 종류, 실용적인 여기 방식 및 특징과 주된 용도를 나타냈다.


레이저 가공에서 대표적인 제어 파라미터를 그림 1에 나타냈다. 목적에 맞는 가공을 하기 위해서는 이들 파라미터를 최적화할 필요가 있다. 



또한 여기에 나타낸 이외의 파라미터도 존재하기 때문에 현재도 모든 파라미터가 제어되고 있는 것은 아니다. 그러나 적절한 레이저의 선택 및 파라미터의 엄밀한 제어에 의해 기존 기술로는 대응할 수 없는 새로운 가공 기술의 탄생을 기대할 수 있다.


레이저 클리닝


1. 레이저 클리닝의 원리와 특징


부재의 표면에 잔류한 오염 물질이나 피복물의 제거법으로서 일반적으로 유기용제나 산․알칼리 등에 의한 화학적인 제거 혹은 샌드 블라스트 등의 기계적인 제거, 그 외에도 드라이아이스 블라스트나 초음파 병용 등의 세정법이 적용되고 있다. 


최근 이러한 기존법을 대신하는 새로운 기술로서 레이저 클리닝이 주목받고 있다. 레이저 클리닝의 개발 경위로서 1990년대에 표면처리용으로 고효율이고 신뢰성이 높은 레이저 장치가 개발되어 레이저를 표면처리에 활용하는 연구가 활발히 이루어졌으며, 표면 담금질 등 많은 새로운 기술이 개발됐다. 


그 중의 하나인 레이저 클리닝은 현재 유럽과 미국을 중심으로 다양한 산업에서 적용이 확대되고 있으며, 특히 항공․자동차 분야에서 적극적으로 도입이 추진되고 있다.


레이저 클리닝의 특징으로서 첫 번째는 깨끗하고 위생적인 프로세스를 들 수 있다. 보통의 화학적 혹은 기계적인 세정에서는 약품이나 연마제를 이용하기 때문에 세정 후에 반드시 2차적인 폐기물이 생기고, 그 처리가 필요하다. 


한편, 비접촉 가공인 레이저 클리닝에서는 세정에 관련된 약품이나 연마제가 불필요하기 때문에 2차적인 폐기물이 생기지 않는다. 레이저 조사에 의해 발생하는 비산물이나 증발물을 집진기 등에 의해 회수함으로써 깨끗하고 위생적인 프로세스를 확립할 수 있다.


또한 레이저 클리닝에서는 레이저 발진에 관련된 전기값이 주된 러닝 코스트이기 때문에 약품, 매체, 폐액 처리 등에 관련된 비용이 불필요하다. 그리고 부분적인 처리에 대해 일반적인 세정에서는 마스킹이 필요하며 처리 후에는 마스킹을 제거해야 하지만, 레이저 클리닝에서는 레이저 조사부만 제거되기 때문에 부분적인 처리도 쉽게 대응할 수 있다. 


이것은 광파이버를 이용해 빔을 전송하는 것이 가능하기 때문에 로봇을 이용함으로써 쉽게 3차원 제어를 할 수 있다는 것에 기초한다.


그 외에도 금속 재료에 대한 레이저광의 반사율이 높기 때문에 금형 등의 세정에서는 모재인 금속 재료에는 영향을 주지 않고 유기물 등의 부착물을 제거할 수 있다.


레이저 클리닝은 레이저가 조사된 부분의 표면 피복층을 순간적으로 분해, 폭발적으로 증발시키는 ‘애블레이션(ablation)’을 이용한 것으로, 레이저광에 의해 제거하고 싶은 물질을 직접 증발 혹은 승화시키는 프로세스이다. 


또한 발생한 마이크로 열충격파와의 조합에 의해 제거하고 싶은 물질이 레이저 에너지의 흡수를 계속하는 한, 제거가 이루어진다. 이 때 제거하고 싶은 물질의 레이저광에 대한 에너지 흡수율이 높을수록 고속으로 가공할 수 있다. 


Q 스위치 등에 의한 피크 에너지 밀도가 높은 단펄스 레이저에 갈바노미터를 장착함으로써 빔을 고속으로 주사, 재료 표면에 조사함으로써 표면 피복층이나 오염층을 증발시킬 수 있다.



레이저 클리닝의 원리를 그림 2에 나타냈다. 피복층이나 오염층 등의 제거 물질에 애블레이션을 생성시키기 위해 필요한 레이저 에너지 밀도(Ec)가 모재에 애블레이션을 생성시키는 에너지 밀도(Es)보다 반드시 높을 필요가 있다. 


2. 레이저 클리닝에 이용되는 장치와 적용 예


레이저 클리닝에 이용되는 레이저 광원은 크게 나눠 3종류가 있으며, 레이저빔의 발진 방식과 빔의 전송 방법이 다르다. CO2 레이저는 발진 매체로서 혼합 가스를 사용하고, 계속적으로 가스를 보충할 필요가 있다. 


또한 파장이 10.6μm로 광파이버에 의한 빔의 전송이 불가능하기 때문에 반사 미러를 이용한 복잡한 빔 전송 시스템을 필요로 하므로 CO2 레이저의 적용은 한정적이다.


한편 파장 1.06μm의 고체 YAG 레이저는 빔 전송에 광파이버 케이블을 이용할 수 있기 때문에 레이저 장치의 유연성이 매우 높고, 공랭식이고 보수가 거의 필요없다. 그렇기 때문에 레이저 클리닝이 실제 작업에 적용되기 시작한 초기에는 고체 YAG 레이저가 이용되고 있었다.


그 후 파장이 1.07μm의 발진 효율이 우수한 Yb 파이버 레이저가 이용되게 되고, 현재에 이르렀다. Yb 파이버 레이저는 고출력화가 도모되고 있으며, 출력이 20~200W까지는 공랭식, 200W 이상에서는 수냉식으로, kW급의 장치도 실용화되고 있다. 


빔은 파이버 전송이 가능하기 때문에 로봇과 조합함으로써 3차원 가공도 쉽게 할 수 있고, 더구나 장초점 레이저 광원을 이용하면, 높이가 다른 부위라도 레이저광이 조사된 부분의 피복층과 오염층을 박리할 수 있다. 


휴대식의 레이저 장치도 개발되어 사용하고 싶은 장소로 가지고 가서 용접 시의 토치와 같은 수작업 처리(그림 3)도 가능하다. 현재 다수의 휴대형 레이저 클리닝 장치가 세계적으로 판매되고 있다.



레이저 클리닝의 적용 예로서 유럽 자동차 메이커의 도어 프레임, 알루미늄 부재에 대한 용접 전처리나 도장 전처리가 있다. 지금까지 와이어 브러시 등에 의해 산화피막을 기계적으로 제거하거나, 유기용제에 의해 표면의 유분을 제거하거나 하고 있었는데, 레이저 클리닝을 적용함으로써 대폭적인 공정 단축이 가능해졌다. 


또한 항공 분야에서도 미국 공군이나 보잉사, 유럽 민간항공회사에서 도막 박리에 적용, 유기용제를 사용하지 않는 작업 환경의 개선을 도모하고 있다. 그리고 도막이나 유분 등의 유기물 제거 이외에도 철강 제품에 생긴 녹(부식생성물)이나 용접 후에 생기는 버닝(변색) 등의 산화물 제거에도 적용되고 있다.


이와 같이 여러 가지 적용 예 중에서 특히 금형에 대한 레이저 클리닝이 주목받고 있다. 약품에 의한 세정은 작업 환경 및 폐액 처리 등에 문제가 있고, 또한 블라스트 등의 기계적 세정은 금형에 대한 영향이 문제가 된다. 


한편 레이저 클리닝에서는 이러한 문제점이 해소되고, 더구나 파이버 전송에 의해 인라인의 자동 클리닝도 가능하기 때문에 금형의 탈착 작업이 불필요하다는 것도 큰 장점으로서 금형에 대한 적용은 확대되고 있다.


타이어를 비롯한 고분자 재료의 성형 금형에서 금형 내면에 부착한 고무 등의 고분자 재료를 금형에 대한 영향 없이 제거할 수 있다. 또한 성형 후에 제품을 꺼낼 수 있게 빼기각을 설정한 요철이 큰 금형에 대해서도 장초점의 레이저 광원을 이용하면 오목부에도 레이저광이 조사되어 부착물을 제거할 수 있다. 


그 외에 식품 관련에서도 약제 등을 사용하지 않는 깨끗하고 위생적인 프로세스로서, 예를 들면 벨기에 와플이나 소프트크림 콘의 금형, 베이커리 트레이 등의 세정에 적용되고 있다. 


정기적으로 금형 표면의 유분을 제거함으로써 제품이 품질을 안정시킬 수 있다. 주조에 사용되는 주조 금형에도 레이저 클리닝이 적용되기 시작하고 있으며, 앞으로 여러 가지 금형에 대한 적용이 기대된다.


21세기는 빛의 시대라고 일컬어지고 있으며, 이제는 레이저가 적용되지 않는 산업 분야는 거의 없다고 할 수 있다. 이 글에서 소개한 새로운 세정 기술인 레이저 클리닝은 기존 기술과 같은 약품이나 연마제가 불필요하고, 2차적인 폐기물도 생기지 않는 깨끗하고 지구 환경에 친화적인 기술이다. 


더구나 러닝 코스트도 억제할 수 있고, 금형 등의 세정에서는 모재 금속에 대한 영향이 없으며 자동화나 인라인화도 가능하다. 앞으로 레이저 클리닝이 세정의 새로운 수단으로서 금형을 비롯한 여러 가지 분야에 적용될 것으로 생각된다.

/서재창 기자(prmoed@hellot.net)

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