[제조 길잡이] 레이저커팅이 뭔가요?

어떤 레이저를 상상하셨나요? (출처 : wallhere.com, imgur)

‘레이저(laser)’하면 무엇이 떠오르시나요? 영화 <스타워즈>에 나오는 광선검이 떠오르시나요? 빨간 불빛을 쫓아 움직이는 고양이가 그려지시나요? 아니면 학교에서 수업 시간에 선생님께서 멀찍이 서서 칠판 쪽을 가리키던 포인터가 기억나시나요? 이번 ‘제조 길잡이’에서는 장난감 레이저와는 비교할 수 없을 만큼 훨씬 더 강력한 버전의 레이저를 이용하는 ‘레이저커팅’에 대해서 알아보겠습니다. 

장난감 레이저의 빛이 매우 강력해진다면 어떻게 될까요. 빛이 선명해지고 커지는 만큼 열도 발생할 겁니다. 레이저커팅은 이렇게 증폭된 고출력 레이저로 재료를 잘라냅니다. 사전에 CAD 도면에 재료의 잘라내고자 하는 부분을 표시하면 레이저가 컴퓨터의 지시에 따라 도면에 표시된 위치대로 움직이면서 원하는 모양의 제품을 완성해줍니다. 

고출력 레이저는 철판 아래 불꽃이 튈 만큼 강력합니다. (출처 : 유튜브 Accurl Machine Tools)

증폭된 고출력 레이저로 가공, 대부분 금속 가공

장난감 레이저와 달리 레이저커팅으로 금속을 절단할 수 있는 것은 여기에 사용되는 레이저가 고출력 레이저이기 때문입니다. 고출력 레이저로 증폭시키려면 세 가지 단계가 필요합니다. 펌프 소스, 활성 레이저 매질, 공진기 등 각 단계별로 핵심적으로 기능하는 요소를 중심으로 알아보겠습니다.

먼저 펌프 소스는 외부 에너지를 공급하는 역할을 합니다. 펌프 소스를 통해 들어온 에너지가 헬륨, 네온 원자 등이 들어있는 ‘매질(medium)’을 자극하면 이들 원자가 들뜬 상태가 되면서 광자를 방출하게 됩니다. 이때 방출된 광자는 공진기(resonator)를 오가면서 증폭됩니다. 공진기는 매질 양 끝에 있는 두 개의 거울을 말합니다. 한 쪽 거울은 반사율이 100%인데 반해, 다른 쪽은 반사율이 상대적으로 낮습니다. 반사율이 낮다는 것은 완벽하게 반사하지 못하는 빛의 일부가 거울을 통과한다는 의미입니다. 공진기가 100% 반사하지 못한 나머지 빛이 거울을 통과해 발사되는데, 공진기를 통과하는 과정에서 에너지는 증폭된 상태입니다. 결국 거울을 통과해 나오는 고밀도의 광선이 우리가 보는 레이저 빔입니다. 

고출력 레이저의 작동 원리 도식화 (출처 : reserchgate.net)

이러한 레이저커팅으로는 거의 모든 종류의 금속 재료를 가공할 수 있습니다. 또한 알루미늄이나 스테인리스 같은 금속 판재를 주로 가공하지만 목재나 유리, 고무 등 다른 재료들도 레이저커팅으로 가공할 수 있습니다. 다만 강력한 레이저 빔으로도 가공하지 못하는 재료들이 있습니다. 레이저가 잘라낼 수 없는 재료라기보다는 워낙 강한 에너지 때문에 재료의 표면이 녹게 되는 재료들이 있습니다. 또 레이저는 재료를 통과해서 잘라내는 방식인데 레이저를 반사하는 티타늄 같은 재료는 가공이 제한될 수 있습니다. 

3가지 방식, '이산화탄소 레이저'가 가장 일반적

레이저커팅에서 사용되는 레이저는 크게 세 가지로 분류합니다. 이산화탄소(CO2) 레이저, 네오디뮴(ND) 레이저, 네오디뮴 도핑 알루미늄 가넷(Nd:YAG) 레이저입니다. 먼저 이산화탄소 레이저는 레이저커팅에서 가장 일반적으로 사용되는 레이저로 에너지 사용 효율이 가장 높습니다. 판재를 자르고, 구멍을 뚫거나 음각을 표현할 때 가장 효과적입니다. 네오디뮴 레이저 역시 에너지 사용 효율이 높은 편이지만 지속성이 떨어진다는 단점이 있습니다. 네오디뮴 도핑 알루미늄 가넷 레이저는 고출력 방식의 레이저로 두꺼운 재료를 자르는 데에 굉장히 유용하지만 그만큼 비용이 굉장히 높습니다.

형태 구애받지 않고 비용 저렴, 두꺼운 재료엔 부적합

레이저커팅은 곡선이나 직각으로 재료를 절단할 때 유용합니다. 절단하는 모서리의 모양도 자유롭게 만들 수 있습니다. 밀링과 같은 CNC 가공방식은 모서리를 표현하는 데에 한계가 있는데 반해, 다양한 모서리 형태를 만드는 것이 가능하다는 점은 레이저커팅의 장점입니다. 또 어떠한 절삭 공구보다도 예리한 ‘빛’을 사용하기 때문에 정교하고 복잡한 제품을 만드는 데도 유리합니다. 아래 사진처럼 굉장히 복잡해보이는 정교한 제품들은 모두 레이저커팅으로 만든 제품입니다.

레이저커팅으로 만든 창호와 작품 (출처 : sai.azy.kr, laserart.co.kr)

제품 제작이 신속하고 비용도 저렴한 편입니다. 레이저커팅은 빠른 속도로 제품을 제작할 수 있어 생산성이 높습니다. 레이저커팅으로 1만개 정도의 제품을 만드는 것은 그리 어려운 일이 아닙니다. 레이저커팅 제조공정은 자동화되어 있고 공구를 교체할 일도 없습니다. 때문에 비용이 낮아집니다. 다른 판금 절단 방식에 비해 열 변형도 적어서 제품의 내구성도 강합니다. 

하지만 이러한 레이저커팅에도 단점이 있습니다. 레이저 빛을 쏴서 재료를 절단하려면, 재료를 ‘통과’할 만큼 강력한 레이저를 쏘아야합니다. 재료가 두꺼워지면 레이저로 잘라내기가 어렵습니다. 잘라낼 수 있다 하더라도 레이저의 열로 인해 가공 부위에 변형이 일어날 수 있습니다. 어느 정도 두께 이상의 재료는 레이저커팅으로 가공하기에 적합하지 않다는 얘깁니다. 두꺼운 재료 가공에는레이저커팅보다는 다른 가공방식을 선택하는 것이 나을 수 있습니다.

판금가공으로 분류, 브라켓 등 제작에 적합

앞서 말씀드린 대로 레이저커팅은 두꺼운 물체를 가공하는 데 적합하지 않습니다. 재료를 빠른 속도로 뚫고 나가지 못할 경우 레이저가 주변부를 변형시킬 수 있기 때문입니다. 이 때문에 레이저커팅은 주로 판재를 가공해서 만드는 제품에 주로 사용됩니다. 카파(CAPA)에서도 레이저커팅은 판금 가공의 세부 분야로 분류됩니다. 

레이저커팅을 이용하는 제품으로는 일반적으로 금속을 가공해서 만드는 브라켓(bracket)이나 콘솔 케이스 등이 있습니다. 위 사진에서 살펴본 창호처럼 레이저커팅을 복잡한 문양을 만드는 데 사용하기도 합니다. 

레이저커팅으로 만든 제품들 (출처 : metal101.co.kr, doxmro.com)

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