적용분야

레이저 절단과 레이저 각인은 금속, 플라스틱, 세라믹 등 다양한 소재를 가공하는 데 사용되는 정밀하고 효율적인 가공 방법입니다. 이러한 공정은 일반적으로 CO₂ 레이저 또는 파이버 레이저에서 발생한 고집광 광선을 이용해 소재를 용융, 연소 또는 기화시켜 절단합니다.

레이저 절단은 높은 정밀도와 속도, 복잡한 형상을 구현할 수 있는 능력 등 여러 장점을 제공하지만, 동시에 공정의 품질과 효율에 영향을 미칠 수 있는 다양한 열적 과제를 수반합니다. 레이저 절단기는 소재에 따라 1000 °C를 초과하는 매우 높은 온도를 발생시킬 수 있으며, 이는 가공 중인 소재에 상당한 영향을 미칩니다.

레이저 절단에서 가장 중요한 문제 중 하나는 열영향부(Heat Affected Zone, HAZ)의 형성입니다. 레이저 빔에서 발생하는 강한 열은 절단부 주변 소재의 미세조직을 변화시켜 기계적 성능 저하를 초래할 수 있습니다. 연구 결과에 따르면 HAZ의 크기와 심각도는 레이저 출력, 절단 속도, 사용되는 보조 가스의 종류 등 다양한 절단 파라미터에 의해 영향을 받습니다. 예를 들어, 레이저 출력이 높고 절단 속도가 느릴수록 HAZ가 확대되어 소재 변형이 증가하고 기계적 강도가 감소할 수 있습니다.

레이저 절단 공정 중의 온도 분포는 절단 품질 전반과 밀접하게 연관되어 있습니다. 온도 분포가 불균일할 경우 드로스(dross) 발생, 표면 거칠기 증가, 그리고 커프(kerf) 폭의 불균일과 같은 문제가 발생할 수 있습니다. 또한 레이저 절단에 수반되는 고온은 열 변형을 유발할 수 있습니다. 급격한 가열과 냉각 사이클은 특히 얇거나 열전도성이 높은 소재에서 뒤틀림을 초래하여, 절단 부품의 치수 정확도를 저하시킬 뿐만 아니라 조립 공정을 더욱 복잡하게 만듭니다.

레이저 절단기의 열 출력은 절단 품질에 직접적인 영향을 미칩니다. 과도한 열은 소재의 변형, 과도한 용융 또는 탄화를 일으켜 절단이 부정확해지거나 손상된 결과를 초래할 수 있습니다. 레이저 출력, 광 증폭 특성, 초점 스폿 크기, 플라즈마 형성, 해상도 요구 조건, 결정 특성, 그리고 불활성 가스 사용 여부 등 다양한 요소가 절단 공정 중의 열 출력에 영향을 미칠 수 있습니다.

레이저 공정의 열적 특성(thermal fingerprint)을 모니터링하면 공정 최적화를 위한 새로운 인사이트를 얻을 수 있습니다.

방사율(emissivity)은 정확한 온도 측정에 매우 중요한 요소이며, 소재의 물성, 표면 상태, 온도, 파장, 측정 각도, 그리고 측정 환경에 따라 달라집니다. 비금속 표면은 일반적으로 파장에 따른 방사율 변화가 크지 않지만, 이상적인 흑체에 비해 방출 복사 에너지가 낮아 회색체(gray body)로 분류됩니다. 반면 금속 표면은 온도와 파장에 따라 방사율이 변화하는 특성이 있어 선택적 방사체(selective radiator)로 간주됩니다.

금속의 온도를 정확하게 측정하기 위해서는 단파장 영역에서의 측정이 권장됩니다. 금속은 파장이 짧고 온도가 높을수록 더 많은 복사 에너지를 방출하며 방사율 또한 증가하기 때문에, 방사율 변화로 인한 측정 오차를 줄일 수 있습니다. 다만, 이는 레이저와 소재 간의 상호작용을 함께 고려해야 합니다. 흡수율은 방사율과 동일하다는 키르히호프(Kirchhoff)의 법칙에 따라, 레이저 에너지의 흡수 특성과도 균형을 이루어야 합니다. 또한 고출력 레이저 광을 차단하고, 적외선 카메라의 손상이나 신호 간섭(crosstalk)을 방지하기 위해 노치 필터(notch filter)의 적용이 필요합니다.

레이저 가공 공정에서 비접촉식 온도 측정을 위해 열화상 카메라를 사용할 경우, 카메라는 레이저의 높은 에너지 밀도와 그 반사광을 견딜 수 있어야 합니다. 레이저 공정에는 일반적으로 1064 nm에서 작동하는 고체 레이저나 10.6 μm 파장의 CO₂ 레이저가 사용됩니다. 이러한 환경에서는 레이저 반사광에 아주 미미하게 노출되기만 해도 적외선 카메라에 심각한 손상이 발생할 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 두 가지 전략을 적용할 수 있습니다. 하나는 레이저 파장과 충분히 떨어진 다른 파장 대역에서 작동하는 카메라를 사용하는 것이고, 다른 하나는 특수 필터를 사용해 카메라를 보호하는 방법입니다. 예를 들어, Optris는 이러한 문제를 해결하기 위해 PI 1M 카메라용 노치 필터(notch filter)와 LT 시리즈 카메라용 롱패스 필터(long-pass filter)를 제공하고 있습니다.

PI 08M과 같은 적외선 이미저는 단일 지점의 온도만 측정하는 파이로미터와 달리, 공정 전반에 대한 종합적인 인사이트를 제공합니다. 정확한 열 분포를 기록하기 위해서는 적외선 카메라의 온도 측정 범위가 공정 온도와 일치해야 합니다. Optris PI 08M은 800 nm 파장에서 측정하며 575 °C부터 온도 기록을 시작하므로, 고온에서 가공되는 금속 및 광택 있는 소재의 열 분포를 모니터링하는 데 이상적입니다. 또 다른 선택지로는 PI 640i 적외선 카메라가 있습니다. 이 모델은 CO₂ 필터가 적용된 장파장 스펙트럼 범위를 사용하여 상온부터의 온도 분포 측정이 가능해, 보다 넓은 공정 조건에서 활용할 수 있습니다.

적외선 카메라를 활용한 모니터링은 레이저 공정을 정밀하게 조정하는 데 활용할 수 있는 유용한 열 데이터를 제공하여, 열 손상을 최소화하면서 고품질의 절단을 가능하게 합니다. 이러한 열적 과제를 효과적으로 관리하기 위해서는 레이저 출력, 절단 속도, 초점 조건을 최적화하여 소재에 미치는 열 영향을 최소화하는 것이 중요합니다.

적외선 열화상을 이용한 실시간 온도 모니터링은 절단 품질을 평가하고 제어하는 데 매우 효과적인 것으로 입증되었습니다. 최적의 공정 조건을 유지하는 데 있어 적외선 열화상의 역할은 매우 중요하며, 이를 통해 제조사는 결함을 사전에 방지할 수 있다는 확신을 가질 수 있습니다. 절단 전면부의 온도를 지속적으로 모니터링하면 공정 파라미터를 즉시 조정할 수 있어, 최적의 조건을 유지하고 결함 발생을 최소화할 수 있습니다. 또한 고해상도 열화상 카메라는 열 변형의 초기 징후를 감지할 수 있어, 절단 파라미터를 적시에 보정하는 데 도움을 줍니다.

제조업체는 열 거동에 대한 깊은 이해와 첨단 모니터링 기술의 통합을 통해 이러한 과제를 극복할 수 있으며, 이를 통해 우수한 절단 품질을 달성하고 소재의 무결성을 유지할 수 있습니다.

Optris는 레이저 응용 분야를 위해 특별히 설계된 적외선 카메라를 제공합니다. PI 적외선 이미저는 다양한 시스템에 쉽게 통합할 수 있으며, 아날로그 및 디지털 출력 모두를 지원합니다. 일부 장비 통합 환경에서는 Linux 기반 컴퓨터와 함께 PI 적외선 카메라를 사용하고, SDK를 활용해 맞춤형 소프트웨어를 개발함으로써 최적의 공정 제어와 다른 시스템과의 정밀한 동기화를 구현하고 있습니다.