레이저 절단, 레이저 커팅(Laser Cutting)

레이저 절단은 고출력 레이저와 컴퓨터 수치제어(CNC) 등을 활용하여 재료를 기화시켜 원하는 위치와 형태로 부품, 재료 등을 정밀하게 절단하는 기술이다. 산업 제조, 학교, 건축 등 다양한 분야에서 사용된다. 레이저 절단은 레이저가 발명된 이후 1965년 미국 Western Electric 주식회사(Co., Ltd.)에서 최초로 제작되어 다이아몬드 다이에 구멍을 뚫는데 사용되었다. 1967년 영국은 금속용 레이저 보조 산소 제트 절단기를 개발하였고, 다양한 물질과 제품을 절단하는데 광범위하게 사용되기 시작하였다.

 

레이저 빔은 작업하고자 하는 부분에 고품질의 렌즈를 이용하여 0.32 mm 이하 혹은 0.1 mm도 되지 않는 부분에 초점을 맞춰 레이저를 집중하여 절단하기 때문에 정밀하고 정교한 절단이 가능하다. 레이저 절단은 플라즈마 절단 대비 판금 절단시 더 정확하고 에너지를 덜 사용한다는 장점이 있으나, 현재까지 기술로 아칙 플라즈마가 절단할 수 있는 두꺼운 금속의 절단은 어려운 상황이다. 레이저 절단의 기술이 상승하고 있으나, 두꺼운 금속판 등을 절단할 수 있는 레이저 장치의 가격은 플라즈마 절단기 대비 상당히 고가인 상황이다.

 

종류

레이저 절단에는 이산화탄소(CO2) 레이저, 네오디뮴 레이저, 네오디뮴 도핑 이트륨-알루미네이트(Nd:YAG, Nd:Y3Al5O12) 레이저 등이 있다. 광섬유를 사용하는 파이버 레이저도 많이 사용된다. 파이버 레이저는 속도 및 에너지, 신뢰성, 유지보수 측면에서 상대적으로 다른 레이저보다 유리하다. 이외에 레이저 절단에는 펄스를 가지는 레이저(pulsed laser)의 사용도 가능하다.

 

레이저를 이용하여 절단할 때는 레이저를 가하여 단순히 기화시키거나, 용융한 뒤 분사하는 방법, 용융 분사 후 연소시키는 방법, 열 응력을 가하여 균열을 일으키는 방법, 스크라이빙, 냉간 절단 등 다양한 메커니즘이 사용된다. 기화시키는 것은 레이저를 이용하여 재료 표면의 온도를 인화점 등 이상으로 가열하여 휘발시키는 방법이다. 목재, 탄소, 열경화성 플라스틱과 같이 녹지 않는 재료에 많이 사용된다. 금속과 같이 용융되는 재료는 녹는점까지만 온도를 올린 뒤 고압가스 사용하여 용융된 재료를 날려 보냄으로 재료표면의 온도를 기화점 혹은 인화점까지 상승시켜도 되지 않기 때문에 에너지가 많이 절감된다. 취성 재료의 경우 표면에 레이저 빔을 가하여 가열과 열팽창을 일으켜 균열을 발생시켜 절단하는 방법이다. 유리의 절단에 많이 사용된다. 이를 응용한 절단으로 반도체에 사용되는 스텔스 다이싱이 있다. 스텔스 다이싱에는 Nd:YAG 레이저가 많이 사용된다.

 

※ 스텔스 다이싱(Stealth Dicing)

스텔스 다이싱이란 반도체, MEMS, LED와 같은 첨단 고정밀 전자부품 등의 절단에 최근 많이 사용되는 비접촉, 저손상 절단 기술로 레이저를 절단하고자 하는 소재(일반적으로 웨이퍼(Wafer) 내부에만 조사하여 절단면을 형성하고 이후 외부 힘으로 분리하는 방식이다.

스텔스 다이싱은 1) 웨이퍼 등 기재(substrate)의 내부 특정 깊이에 레이저의 에너지를 집속시키는 과정 2) 내부에서 국부적인 변형(마이크로 크랙, 결정 파괴 등)을 일으키는 과정. 이 경우 내부의 변형은 외부에서 보이지 않는다. 3) 이와같이 형성된 절단 라인(내부 변형부)을 따라 기계적인 힘(진동, 휨)을 가하여 깨끗하게 분리하는 과정으로 진행된다.

스텔스 다이싱은 비접촉 절단으로 기존에 절단에 사용되던 블레이드의 마모가 적고 절단물 등 잔 입자의 생성이 적어 이들의 제거 등을 위해 사용되던 슬러리의 오염이 없으며, 기존 절단 대비 웨이퍼의 손상을 최소화 할 수 있다. 또한 50 ㎛이하의 초박형 웨이퍼도 절단이 가능하고, 고속, 고정밀이라는 장점이 있다.

 

그림. 스텔스 다이싱(Stealth Dicing)의 원리(출처 : www.reasearchgate.net)

레이저 절단기의 형태

레이저 절단기의 형태로 레이저 절단 헤드는 고정되어 있고 절단하고자 하는 재료(substrate)가 이동하는 형태(Moving Material Laser), 레이저는 한축(일반적으로 X축)으로 이동하고 재료가 놓여있는 테이블이 있는 형태(하이브리드 레이저), 재료가 고정테이블에 위치하고 레이저빔 발사부위가 포함된 절단 헤드가 이동하는 형태(플라잉 옵틱 레이저, Flying Optic Laser)로 나눌 수 있다. 플라잉 옵틱 레이저는 속력이 빠르고 얇은 공작물을 절단할 때 유리하다. 레이저는 평면에서만 움직이는 것이 아니라 최근의 기술 추세에 따라 4, 5, 6축 이상의 다축 가공도 가능하다.

5축 레이저 가공기 (출처 : dwcnclaser.com)