국내 레이저가공의 현재와 레이저설비 산업현황
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제2회부산국제용접&절단&레이저설비산업전시회
국내 레이저가공의 현재와 레이저 산업현황
취재.정리: 메탈넷코리아 취재부
레이저 관련기술은 이미 50년 전에 시작된 기술이나 산업에의 적용은 90년대 이후 증가추세가 가시화되어 현재에는 그 적용 영역을 대폭 확대되고 있는 실정이다. 레이저와 레이저 가공기술의 발전 과정을 살펴보면, 90년대 들어서야 레이저를 이용한 설비들이 쓰이기 시작했지만 레이저에 관한 이론은 1960년대에 이미 완성되었다.

그 후 1970년대부터 레이저 가공기술의 산업화 응용에 대한 연구가 시작되었고, 1980년부터 CO₂레이저를 이용한 재료 가공이 적용되기 시작된 후로 계속되는 레이저의 진보와 더불어 산업 레이저의 응용이 계속 증가해 왔다. 이러한 경향은 국제적인 특허 출원 내용과 양을 살펴보아도 쉽게 파악 할 수 있다.
일반적인 기술의 특허 추이는 10여년을 기점으로 그 수와 양이 감소하는 경우가 다반사이나 레이저 분야는 매년 증가추세가 계속되고 있는 실정이다.

Ⅰ. 레이저 가공

레이저 가공은 레이저광과 물질과의 상호작용에서 발생하는 열을 이용하는 것으로서 레이저의 높은 에너지 밀도와 고도의 지향성을 이용하는 열 가공 방법이다. 레이저 가공 기술은 레이저 발진기 기술, 가공기 제작 기술, 빔 전송계 기술, 제어 기술 등이 순차적으로 연결되어 이루어지는 기술로, 레이저 가공 방법은 다른 기존의 기계적 방식들에 비해 더 높은 정밀도의 장비구성 등이 필요하다.

레이저 가공을 많은 장점을 갖고 있는데, 대표적인 특징 중의 하나는 열 가공이면서 집광 면적이 매우 작기 때문에 수십 ㎛의 국부 가공이 가능하여, 소재의 응력이나 뒤틀림 등이 다른 용접에 비해 거의 없다는 것이다.
레이저 가공은 비접촉 가공 방식으로 재료의 강성이나 경도와 무관하게 가공할 수 있으며, 열 영향을 받는 극소의 부위를 제외하고는 재질 변형에 영향이 거의 없으며, 열 충격에 약한 물질의 가공에도 적합하고 공구의 마모나 관성에 의한 가공오차, 소음 등이 발생하지 않는다.

또한 가공 프로그램 작성에서 가공에 이르기까지, 자동 조절이 가능하여 생산성을 겸비한 자동화 장비로의 구성이 자유롭고, 가공 중에도 출력, 펄스 폭 및 형태, 가공속도, 가공 폭 및 깊이 등 레이저 자체의 성질을 제어 할 수 있다는 장점이 있다.
레이저 가공은 고에너지 밀도를 얻을 수 있고, 가공 형태의 변환이 자유로우며, 출력의 분할 이용이 가능하며, 타 열원에 비하여 높은 에너지 밀도를 지니고 있어 고융점 재료, 세라믹 등 복합재료 가공이 가능하며, 기존의 가공기로서는 불가능한 재질들에 대한 절단, 용접이나 미세 가공 등이 가능하다.

또한 레이저 가공은 물리적 접촉 없이 레이저 빔 에너지만을 매개로 가공이 이루어지는 공정으로 대기 중 가공이 가능하며, 가공 중 X-선이나 기타 유해 방사선 물질이 발생하지 않고, 환경오염의 요인이 되는 용제나 납 등의 문제에서도 자유로운 친환경적 공법이다.

반면 일반적으로 급속한 가공으로 인해 증발된 재질의 증기가 가공부위에 재부착 응고되는 경우 기술적인 문제가 발생할 수도 있지만, 무엇보다도 레이저 가공기의 가격이 수억대로 매우 비싸다는 단점을 갖고 있다. 그러나 실제 산업에서 적용되는 때에는 시작품이나 견본을 금형 없이 제작할 수 있고 품종의 다변화, 개선이 용이해 경제성이 높은 가공 방법으로 가공 모양이 세밀하고 복잡해도 컴퓨터에 의하여 가공이 가능하다.
이처럼 몇몇 단점과, 고가의 장비라는 점만 제외하면 레이저 가공은 산업 현장에서 유용하게 쓰일 수 있는 미래지향적인 기술이다.

Ⅱ. 국내 레이저 설비 산업 현황

1. 레이저 설비 산업의 규모
이러한 많은 장점을 갖추고 있는 레이저에 대해 많은 기업에서 관심을 보이고 있으며, 실제로 90년대 이후 국내 레이저 설비 사용이 꾸준히 늘고 있다. 그러나 아직까지 국내 레이저 시장의 크기를 가늠하기는 어려운 상황이다.

많은 경우 KOTRA의 수출입 내역을 보고 레이저 산업 시장의 규모를 예상하고 있지만 이러한 수요는 레이저나 레이저 응용 장비로 분류될 때만 통계에 잡히는 것으로 다른 품목의 장비에 장착되어 국내에 들어오는 경우는 통계에서 제외 될 수 밖에 없다. 또한 국내에서 생산하는 부분 외에도, 부품 형태로 해외에서 공급하는 경우도 있어 이러한 수치 파악이 쉽지 않다.

다만 레이저 시장 규모를 조사하는 전문가들은 2004년 국내 레이저 시장을 약 2천억 원으로 추산하고 있었다. 레이저앤피직스(주)의 한 기관 대표 이사는 “반도체 분야에서 사용하는 Excimer Laser 시장만 하더라도 이 통계에서 빠져있다”며 아직까지 시장 규모를 파악이 어렵다고 밝혔다.

또한 많은 경우 반도체 제조업체의 설비 투자가 매년 비슷한 규모로 이루어지는 것이 아니면서도 투자가 이루어질 때 대규모인 점과 투자에 대해 각 업체의 비밀 사항으로 두는 것이 통계의 어려움으로 작용하고 있었다. 반도체 업체가 아니더라도 기술 우위를 선점하기 위해 경쟁하는 많은 기술력을 갖춘 큰 업체들이 레이저 설비 보유 여부, 사용 여부를 거의 불문율에 부치고 있었다.

한 업체의 관계자에 따르면 “많은 회사들이 레이저 설비를 수주하고 있지만 미공개를 계약 조건으로 하고 있다”며 기술 경쟁과 보유 기술의 보안이 기업의 중요한 사안이기 때문에 이러한 일들이 비일비재하다고 말했다.

이러한 실질적인 통계의 어려움 외에도, 레이저 유지보수 비용이 크기 때문에 완성품 시장만으로 시장규모를 추정하는 것은 정확도가 떨어진다고 할 수 있다. 수입 업체를 포함한 국내 주요 3사의 2006년 매출 예상 금액을 모두 합치면 3,000억 원이 넘어, 기타 소규모 업체 수와 매출액을 계산해 보면 국내에서 사업 중인 레이저 장비 업체의 대략적 매출은 6,000억 원 가량 될 것으로 보인다고 레이저앤피직스(주)의 대표이사는 밝혔다.

이처럼 아직 레이저 시장 규모에 있어서는 논란의 여지가 많이 남아있다. 다만 레이저 시장 전반의 사정을 살펴 볼 때 일정 규모 이상을 갖추고 있는 것으로 판단할 수 있었다.

2. 레이저 가공 기술 분야
1980년대 중반 국내 L기업 연구소에서부터 산업용 레이저 개발을 본격화하면서 레이저 응용 시스템에 대한 기업체의 연구가 계속되어 왔다. 1990년대에 들어서서는 매년 30%이상의 급성장을 함으로서 한국 시장은 세계적으로 주목을 받게 되었다. 1996년, 1998년 미국 시카고에서 열린 “International Laser marketplace" 포럼에서 하나기술(주)의 김 도열 대표이사는 한국의 시장 규모가 일본을 제외한 아시아 시장에서 50%를 차지할 정도로 비중이 크다고 발표하였다.

레이저 가공기술에는 레이저 빛을 이용한 재료의 천공, 절단, 용접, 열처리 및 표면처리 기술 등이 있다. 레이저 응용 시스템 구성을 살펴보면, 레이저 용접기의 경우 전용기적 성격의 시스템으로서 고객의 요구에 맞도록 시스템을 구성하고 있어 용접 응용 영역 별 별도 시스템으로 구성되어 있고, 레이저 용접성이 중요한 인자가 된다.
세계적으로도 가장 활발한 레이저 용접 적용 분야는 자동차 부품 및 자동차 라인의 용접 적용 연구를 꼽을 수 있다. 특히 미세 부품의 용접은 레이저와 용접기술, 이에 최적으로 디자인된 시스템의 복합기술을 필요로 한다.

레이저 표면처리 또한 레이저 용접과 흡사한 기기의 구성이 되나 집광장치 주변이 레이저 표면 처리에 적합하도록 많은 기기들이 부착되게 된다. 레이저 천공의 경우 담배필터 종이 고속 천공기와 금속소재의 정밀 천공기, PCB 산업의 PWD 고속 천공기, 전자 부품의 천공기 등이 있으며, 대부분 레이저 마이크로 프로세싱에 해당되는 영역이다.

레이저 마킹은 반도체 장비의 핸들러에 부착되는 경우의 시스템과 기존의 고객 생산라인에 일치시키는 단품용이 있으며, 웨이퍼 마킹 등은 별도의 독립된 장비 형태의 경향을 띄고 있다.

국내에서는 의학, 군사, 통신용을 제외하고 산업용 레이저가 크게 쓰이는 분야로 레이저 용접, 레이저 마킹, 레이저 절단으로 나눌 수 있다.

1) 레이저 용접
레이저 용접 역시 레이저 가공의 기본적인 장점과 특징을 보이고 있다. 레이저 용접은 변형과 수축이 적고, 용접속도가 빠르며, 자동화가 용이하다. 대부분 용가재를 사용하지 않고 모재의 합금화에 의해 이루어지는 레이저 용접은 가까이 접근할 수 없는 부재의 용접도 가능하며, 부도체 용접재를 포함, 다양한 재료를 용접할 수 있고, 이종재료의 용접도 성공적으로 수행할 수 있다.
또한 레이저 용접은 진공실을 필요로 하지 않으며, 좁고 깊은 접합에 적합하고, 특히 얇은 부품의 용접에 유리한 특징을 갖고 있다.

레이저 용접은 용접 부위에 조사되는 집광 면적이 절단 천공에 비하여 다소 커, 레이저 에너지 밀도가 낮아지기 때문에 비교적 고출력의 레이저를 필요로 해 레이저 용접 업체는 높은 기술력을 갖추어야 한다. 이러한 높은 기술 장벽 때문에 국내에서는 레이저 용접을 전문으로 하는 업체가 많지 않은 것이 현실이다.
때문에 아직까지 국내 레이저 용접에서 외국 업체들이 득세하고 있는 상황이다. 게다가 일반 용접에서 많은 비중을 차지하고 있는 중공업이나 조선업에서 현재 국내 레이저 용접이 일반화된 편이 아니며 자동차, 기계, 전자공업의 일부 사업장의 공장 자동화 과정에서 레이저 용접이 이용되고 있다.

레이저 용접의 상용화가 더딘 이유는 생산 라인에서 소요되는 일반 공정 비용이 인건비를 감안하더라도 레이저 용접의 비용보다 저렴하기 때문이다.

그러나 높은 가격에도 불구하고 레이저 용접의 사용이 점점 증가하는 이유는 레이저 용접만이 미세정밀 용접 분야에서 가능하기 때문이다. 때문에 국내 레이저 용접 시장은 자동차, 자동차 부품, 전자 부품 분야에서 더욱 큰 성장이 기대되며, 레이저 용접의 방향성이 바로 여기에 있다. 한빛레이저(주)의 김 정묵 대표는 “아직까지 조선업의 레이저 상용화를 확신할 수는 없지만, 가능성이 굉장히 크다”는 의견과 함께 중공업 분야에서도 레이저 사용을 긍정적으로 검토하고 있다는 소식을 알려 주었다.

국내에서 자체 연구진으로 신기술 개발과 신제품 개발에 힘쓰고 있는 일부 레이저 용접 설비 업체들의 앞으로의 활약이 기대된다.

2) 레이저 마킹
레이저 마킹은 열 변형이 없고, 비접촉 방식이기 때문에 응력이나 뒤틀림이 발생하지 않으며, 레이저 광에 의한 비접촉 방식으로 정전기 발생이 없다. 초당 1,000자 까지 고속 마킹으로 높은 생산성을 보장하는 레이저 마킹 설비는 장비 자체가 콤팩트하고, 자동화가 용이하다. 또한 마킹 시 작업현장이 청결하고, 잉크에 의한 공해 발생 여지가 없다.

이러한 레이저 마킹은 생산품의 증명 표시, 회사의 심볼, 제품의 일반적인 제원 기록 등을 표시하는데 사용되며, 일반적으로 비접촉 가공으로 이루어지기 때문에 우수한 품질의 마킹을 얻을 수 있어 회사의 상품 이미지를 재고하는데 많이 이용된다.

그러나 마킹할 부품이 적고, 순번대로 제품 번호가 다르거나, 잉크 등에 오염될 수 있고, 마킹할 부분이 취약할 경우, 혹은 생산 속도가 느린 경우에 레이저 마킹은 부적절하며, 이러한 부분은 기존의 인쇄, 스탬프, 기계적 조각 방식을 이용해야 한다. 따라서 레이저 마킹은 미세화된 전자 부품과 자동차 부품의 형식 번호, 제조 번호 등에 이용되고 있으며, 빠른 속도로 확산되고 있다.

국내 레이저 설비 시장에서 마킹 시장이 40~50%로 가장 큰 비중을 차지하고 있으며, 마킹 내수시장에서 국내 E 업체의 활약으로 외국 업체는 약세를 보이고 있다. 현재 국내 레이저 마킹기 판매 업체는 약 10개사 정도에 불과하며, 그 중 한 달에 20대 이상의 마킹기를 판매할 수 있는 업체는 얼마 되지 않는다.

(주)레이저픽스 박 준철 대표이사는 “국내 레이저 마킹 시장의 규모는 크지 않은 반면, 일정 수준 이상의 기술력을 요구해 대기업이나 반대로 소기업이 참여하기에는 어려운 시장”고 말했다. 이처럼 레이저 마킹은 20명 정도의 인력을 보유하고 있는 중소기업이 적정한 수준으로, 현재 대부분의 업체가 30명 내외의 인력을 보유하는데 그치고 있다.

그러나 현재 레이저 마킹 시장의 추이를 지켜 볼 때, 앞으로 이 시장이 점차 크게 확대될 것이라고 보여진다.

3) 레이저 절단
레이저 절단은 레이저 빛을 이용해서 자르는 것으로 금속, 세라믹, 플라스틱, 비닐, 고무, 복합제에 이르기까지 다양한 재료에 대해서 매우 효과적인 공법이다. 현재 레이저 절단기는 정밀가공이 필요한 기계는 물론 고속전철, 엘리베이터, 자동차, 선박, 각종 부품 등 거의 모둔 산업 분야에 다양하게 쓰여지고 있다.

레이저 절단은 절단과정에서 절단기구와 가공물이 접촉을 하지 않으므로 절단기구의 마모현상을 방지할 수 있으며 레이저 절단 처리 부위의 표면 거칠기가 낮고, 적은 열 영향부 형성으로 절단 후의 마감 가공이 필요하지 않다. 절단면이 가공물 표면에 거의 수직으로 형성되고, 가공물에 전달되는 열량이 적으므로 열변형과 조직변화가 적다. 또한 렌즈에 의한 초점 크기의 변화가 가능하고, 높은 에너지 밀도를 이용한 고속절단을 할 수 있다.

국내 레이저 절단 시장은 약 600억 규모로 추산되고 있으며, 국내 H 업체를 제외하고는 외국 업체가 대부분을 차지하고 있다. 국내 레이저 절단 시장에서 유일한 국내 H 업체는 지난 해 외국 업체와의 제품 계약이 종결된 후 자체 연구 개발한 제품을 주력 제품으로 내세워 전략적으로 마케팅을 펼치고 있으며, 해외 시장의 성공적인 진출과 국내 점유율 확대를 위해 현재 기술 개발과 신제품 개발에 박차를 가하고 있다.

외국 업체들은 이미 확보한 기술 수준과 해외에서의 높은 인지도를 바탕으로 국내 시장에서 좋은 평판을 받고 있으나 제품 가격이 수 억대를 호가해 매우 업계에서는 쉽게 구매할 수 없는 비싼 장비로 인식되고 있다.

아직까지 국내 시장에서 레이저 절단 부분이 차지하는 비율은 그다지 높지 않으나, 레이저 시장의 성장세가 두드러진 만큼, 앞으로의 레이저 절단 시장 전망도 밝다고 할 수 있다.

3. 레이저 설비 산업의 향후 방향
현재 레이저 설비 산업계는 첨단 기술화된 레이저를 주목하고 있다. 명진크리스텍(주)의 홍 보선 이사는 “특히 현재 반도체 업체에서 nanosecond/ picosecond 레이저에서 더 나아간 극초단파 femtosecond 레이저 분야에 관심을 갖고 있다”며 앞으로 레이저 연구와 산업화가 이러한 방향으로 추진할 것이라는 견해를 밝혔다.

또한 앞으로는 변화무쌍한 소비자의 기호에 맞추기 위해 제품의 수명이 단축되는 경향으로 레이저 가공 설비 역시 다품종 소량생산이 가능한 제품을 개발하는 데 초점을 맞추어야 할 것으로 보인다.

4. 맺 음 말
국내 레이저 산업은 지난 10여 년간 괄목할 만한 성장을 이루었다. 21세기는 레이저시대라고 할 만큼 광통신으로부터 생산기술의 핵심에 이르기까지 산업전반에 걸쳐 레이저 응용이 확대되고 있다. 또한 레이저가 기존 기계 화학적 다단계 공정의 소요 비용을 단축시키면서, 레이저에 대한 업계의 선호도가 상승하고 있어 그 시장도 점점 넓어지리라고 예상된다.

이는 레이저 발진기 자체의 기술 발달로 인해 고품질의 레이저가 안정적으로 상용화되고, 적용 제품의 고집적, 고정밀도가 요구되는 산업 추세의 영향으로 당연한 결과이다. 지금도 산업 생산의 각종 현장에 레이저 가공 기술을 이용한 레이저 설비들이 들어가고 있으며 전자 산업, 반도체 산업의 미세 정밀가공부터 조선업에 이르기까지 산업의 전 분야에 레이저 가공기술이 필수적인 기술로 자리 잡고 있다.

보다 효율적이고, 보다 신뢰성이 높은 레이저 가공 기술에 대한 업계의 요구를 차치하더라도 레이저 발진기 및 가공기술 연구기관인 한국 기계연구원, 한국 원자력 연구소 등은 활발한 연구 활동을 펼치고 있으며, 레이저 관련 기술을 연구하던 많은 연구원들이 학계에 진출하면서 대학에서의 후진 양성에 힘을 쏟고 있다. 또한 업체들은 보다 기술 수준을 향상시키고, 고객들에게 맞는 적합한 솔루션을 찾아 제공하기 위해 노력하고 있다.

앞으로 이러한 연구 성과가 실제 산업에서 상용화되고, 제품 개발로 연결시켜 국내 레이저 기술이 집적되고, 기술을 필요로 하는 생산 현장에 적용될 수 있도록 하는 것이 앞으로의 국내 레이저 산업을 성장시킬 수 있는 토대가 될 것이다.
(취재.정리/ 메탈넷코리아 취재부 김 현 미 기자)
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