기술자료: Fiber Lase(화이버 레이저)r - 실체와 전망
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Fiber Laser(화이버 레이저) - 실체와 전망

아이피지포토닉스코리아㈜ 대표이사 한유희
IPG Photonics Korea Ltd. General Manager Dr.-ing You Hie Han
1. 레이저 시장동향
표1과 그림1의 연도별 Laser Source 및 System 판매현황을 보면 레이저시장은 끊임없이 증가하고 있다. 2009년에 닥친 세계적인 불황은 레이저도 비켜가지 못했다. 그러나 2010년에 35% 성장으로 다시금 2008년 시장규모의 95%까지 회복되는 놀라운 성장 잠재력을 보였고, 2011년에는 18% 성장으로 2008년보다 2억불 증가하였다. 2012년 예측은 다소 어둡게 관측되고 있으며 이는 유럽의 재정위기와 중국의 저성장 모드와 무관하지 않다.
표2는 레이저 종류별 판매액을 나타내고 있다. CO₂ 레이저는 2011년 평균성장률 18%에는 못 미치지만 그래도 14% 성장을 하였고, Disk 레이 저를 포함한 고체레이저는 4%라는 거의 정체수준을 보인 반면, Fiber Laser는 48%라는 폭발적인 성장을 하였다. 이는 시장에서 Fiber Laser의 진면목을 알게 되는 징표로 간주해도 무리가 없음을 뜻함과 동시에 2011년의 성장은 Fiber Laser가 주도했음을 알 수 있다.
지역별 시스템 설치현황은 그림3에서 보듯이 아시아가 48%를 점유하고 있어 가장 주목 받는 지역으로 떠오르고 있다. 이는 제조업의 중심이 아시아로 이동하고 있으며, 유수의 레이저 및 시스템 회사들은 아시아에 거점을 확보 또는 확대하려는 움직임을 보이고 있다.



2. IPG Fiber Laser의 개발 동향
(1) IPG Fiber Laser의 일반적 특징
빔의 품질(M₂≒1.05), 높은 효율(25~35%), 높은 신뢰도, 장 수명 등으로 Fiber Laser를 표현하고 있으나 가장 큰 특징은 가격이 저렴하다는 것을 꼽을 수 있다. 표3은 레이저 종류별 W당 대략적인 가격이다.
고출력 CW레이저에서도 2㎾급부터 ㎾당 $60,000에 판매하고 있으며 이는 동급 출력의 CO₂ 레이저의 가격에 접근하고 있다. IPG Fiber Laser가 타사 Fiber Laser보다 저렴한 것은 규모의 경제를 이루었으며, 동시에 Fiber Laser에만 집중하였고, 다양한 Fiber Laser(약400개의 모델)를 양산함으로써 Fiber 생태계를 이룬 덕분이라고 할 수 있다. IPG는 일찍이 Fiber Laser에서 가장 비중이 큰 Diode를 직접 생산함으로써 기술의 심화를 이룸과 동시에 생산단가를 낮출 수 있었다. IPG의 매력적인 가격 제시는 레이저의 저변확대에 많은 기여를 하였고, 앞으로도 레이저를 생산에 활용하는데 주저하지 않도록 매년 가격을 낮춰갈 것이다.
2011년 IPG에서 생산한 Diode는 총 7,000,000Watt 이며, 이는 2위 생산회사가 출하한 1,000,000Watt에 7배 되는 압도적인 생산량을 기록하였다. 2012년에는 생산시설을 12,000,000Watt 규모로 확장하고 있다. 12,000,000Watt의 Diode Power는 2㎾ Fiber Laser를 3,000대 만들 수 있는 용량이므로 최근 Fiber Laser 절단기가 떠오르는 현상을 감안하면 그리 큰 용량은 아니라고 사료된다.



(2) IPG 와 타 레이저 사의 비교
그림4는 세계 유수의 레이저사의 활동영역을 보여주고 있다. IPG는 타사와 달리 재료 가공에만 머무르지 않고, 의료·국방·통신 등 다양한 분야에서 활용되는 제품을 생산하고 있다.

(3) IPG Fiber Laser 발전 - CW 레이저
그림5는 레이저별 출력 증가 추세를 나타낸다. CO₂ 레이저는 25㎾까지 도달하는 데 40여년이 걸렸고, Nd:YAG 레이저는 4㎾까지 달성하고 현재 사라지고 있다. 반면에 Fiber레이저는 20여년 만에 50㎾까지 발전하였다. 이 같은 발전 추세는 CO₂ 레이저와 Nd:YAG 레이저는 고출력에서 나타나는 제반 문제들이 걸림돌이 되어 정체를 보인 반면, Fiber레이저는 이러한 문제들이 없어 향후 수백㎾까지 가능하다.
2009년 발표된 10㎾ Single Mode Fiber Laser의 광학구도는 그림6에 나타나있다. 특징은 Diode로 펌핑하는 종래방식이 아니고, 1,018㎚의 Pump Laser로 펌핑을 한다. 현재 20㎾급 Single Mode Fiber Laser를 개발 중에 있으며, 금년 말에 출시될 예정이다.
그림7은 펄스 Fiber Laser의 출력증가 추세를 보여준다. 2011년에 이미 1㎾급이 출시되었다. 또한, Battery Foil 절단용으로 평균출력 500W, 펄스폭 32㎱, 반복률 2㎒의 고품위 펄스 Fiber Laser가 2012년에 출시되었다. M²가 1.26이라는 경이적인 빔 품질을 갖고 있어, 향후 Battery Foil 절단에서 기계적인 방법을 대체할 것으로 예상된다. 현재 국내 굴지의 기업에서 이미 양산화 작업을 하고 있고, 유사분야로의 확대도 진행되고 있다.
그림8은 MOPFA 방식의 다단계 증폭구조를 갖는 고출력 펄스 파이버를 보여주고 있다. 그림9는 1~12㎱의 짧은 펄스와 M²<1.25의 품질을 갖는 Micro Processing에 적합한 레이저를 보여준다. IPG는 IR파장에 국한하지 않고 532, 355㎚ 파장을 갖는 Hybrid Laser 개발도 꾸준히 진행하고 있으며, Green Pulse 레이저는 현재 50W 급까지 출시했고 Green CW 레이저의 경우 100W까지 소개되었다. Green Pulse 레이저의 경우 1㎱의 짧은 펄스는 CIGS Solar Cell 및 Touch Panel Scribing에 적합하다.
그림10, 그림11은 Long Pulse Laser QCW에 대한 구조 및 사양을 나타낸다. 모듈은 공랭식이고 150W Pulse Power이며 CW 구동 시 250W의 출력을 낸다. 현재 900W의 평균출력과 9㎾의 Peak 출력을 내는 레이저까지 출시되어있으며 향후 Lamp Pumped Pulsed Nd:YAG Laser를 상당부분 대체할 전망이다. 이에 대한 근거로 Chiller가 필요 없으며, Scanner 사용 시 Field Size가 커서 가공효율이 좋고, 전기소모가 기존 Nd:YAG Laser의 1/10에 불과하므로 유지비가 적게 든다는 점이다.



(4) Diode Technology
IPG Fiber Laser의 기본은 Telecom Grade의 Single Emitter이다. Single Emitter는 Diode Cell을 Fiber Coupling 하는 구조로 되어 있어 생산단가는 산업용 Bar/Stack Type 보다 높으나 장 수명이 보장되어 통신에서는 유일하게 인증 받은 방식이다. 통신은 잠시라도 고장 또는 수리 등으로 멈출 수 없으므로 통신에서 사용하는 Diode는 10만 시간 이상의 수명보장과 신뢰성이 전제되어야 한다. IPG는 광통신에서 출발한 전력으로 통신용 다이오드를 사용해 왔고 앞으로도 통신용 다이오드를 확대 발전시킬 것이다.
Single Emitter를 이용하여 고출력 고품질의 Diode 제조기술이 기반이 되어, 고출력 Fiber Laser는 물론 공랭식이 수 ㎾급에도 구현이 가능하였다. Single Emitter와 Bar/Stack Type Diode의 큰 차이는 Single Emitter는 Passive Cooling이 가능하여 고출력에서도 공랭이 가능한 반면, Bar/Stack Type Diode는 Active Cooling이며 Micro Channel을 통한 수냉이 필수적이다. 그림12는 100W급의 Fiber Couple된 다이오드를 보여 주고 있다.

3. Fiber Laser 고유의 응용분야
Fiber Laser 고유의 응용분야는 의료·통신 등에서 많은 예를 찾아볼 수 있다. 본 보고에서는 전술방어용 레이저시스템, Remote Cutting 그리고 Battery Can Cap 용접의 예를 들고자 한다. 전술방어용 레이저는 양질의 빔 품질은 물론이고 충격 및 어떠한 기상조건에서도 성능의 변화가 없어야 하고 효율이 높아야 한다. 이 같은 요구조건을 만족시키는 레이저는 현재 Fiber Laser가 유일하다고 하겠다.
그림14는 Raytheon 사의 지역방어용 레이저 건 Phalanx를 보여준다. 2011년 50㎾ IPG Fiber Laser를 이용하여 무인항공기를 격추하는 동영상은 인터넷에서 쉽게 찾을 수 있다. 이러한 원거리에서의 재료가공에는 50~100㎾가 필요하고 가공거리는 수 ㎞에 달하지만 비교적 짧은 거리에서 재료가공은 산업에 유용하게 활용되고 있다. 한 예로 Remote Cutting을 들 수 있으며 개략적인 설명도 그림 15에 있다. Remote Cutting은 고출력 Single Mode CW Fiber Laser나 고출력 Low Order Mode의 Pulse Fiber Laser로 가능하다.
그림 16은 Remote Cutting시 절단가능 두께와 속도의 관계를 보여준다. 50㎛두께의 Stainless Steel 박판은 1㎾급 Single Mode Fiber Laser로 분당 800m의 속도로 절단이 됨을 알 수 있고, 두께가 증가 함에 따라 출력이 증가해도 절단속도는 급격히 감소하는 현상을 볼 수 있다. Battery Foil은 고출력 Low Order Mode의 Pulse Fiber Laser를 이용하여 Remote Cutting이 되며 500W 출력에서 상용 Battery Foil의 두께 8~20㎛범위는 초당 수 m에 이른다.
이상으로 Fiber Laser의 우수한 빔 품질에 기초한 Remote Processing의 예를 들었고, 마지막으로 공랭식의 장점을 이용한 응용 예 에서 Li-Ion Battery 밀봉용접을 빼놓을 수 없다. Can Type Li-Ion Battery에서 Can은 알루미늄이고, 레이저로 용접된다. 지금까지 주로 Pulse형 Nd:YAG Laser가 사용되었으나 속도 및 품질 경쟁에서 고출력 Fiber Laser로 대체될 전망이다. 이를 대체할 수 있는 레이저는 IPG 공랭식 Fiber Laser가 적합하고, 또한 Fiber Connector 및 Welding Head 또한 공랭이 가능해 습기를 싫어하는 Li-Ion Battery 용접공정에는 가장 유리한 후보로 거론되고 있다. 앞으로 Mobile 기기의 증가와 더불어 Battery 수요도 증가 될 것이며, 더불어 안전 및 신뢰성도 동반 되어야 한다. 이를 만족 시키는 레이저들 중에서 공랭식 Fiber Laser가 주목을 받고 있다.



4. 결론
IPG는 Fiber Laser를 광통신에 국한하지 않고 산업용에 활용될 수 있는 고출력의 신뢰성 있는 레이저를 개발하여 산업현장에서 검증을 받은 기업이다. Fiber Laser에 대한 검증시비는 이미 과거의 기억 속으로 사라졌고 그들도 Fiber쪽으로 선회하여 열심히 기술개발을 하고 있다. IPG는 2003년 Munich 레이저 전시회에서 10㎾ Fiber Laser를 전시하였고, 그 해 국내기업에 4.5㎾ Fiber Laser를 공급하였다. 현재 10여 개의 회사가 Fiber Laser를 출시하고 있으며 4㎾까지 절단기용으로 개발되었다고 보고되었다.
IPG는 Fiber Laser 시장에서 85%이상 점유하고 있으며 매년 두 자리 수 성장을 하고 있는 비결은 다음과 같다.
1. 규모의 경제: Fiber Laser 시장 점유율 85% 이상, Diode 생산규모 - 12,000,000 Watt/year
2. 선택과 집중: Diode를 기반으로 한 Fiber Laser만 생산
3. 고유한 기술: 수직계열화, Wafer Fab. , Fiber Tower, Components, Laser.
4. 생태계의 조성: 400여개의 제품모델, UV, Green, Raman, Erbium, Thulium, Mid Range IR
5. Design의 다양성: 업계 최초로 Laser Module 공급
6. 포트폴리오 분산: 의료, 국방, 통신, 재료가공

과거 레이저는 물리학의 기초지식을 겸비해야 다룰 수 있는 섬세하고 불편한 기기였다.
냉각수 관리, 빔의 정렬, Warming up, Optics Cleaning 및 교체, 각종 Fiber 교환 등은 레이저의 저변 확대에 걸림돌이 되었고, 높은 가격으로 소수의 사용자만이 레이저의 능력을 맛 볼 수 있었다. 따라서 레이저 수요는 제한적이고 공급자 측의 기술개발을 가속시킬 만한 매력도 덜했다. 그러나 2000년부터 Fiber Laser Marker가 시장에 나오고 고객들은 냉각수가 필요 없고, 가정용 전원으로 마킹기를 구동할 수 있으며 부품교환이 필요 없다는 사실을 깨달으면서 Fiber Laser Marker에 집중하기 시작했고 용접, 절단, 스크라이빙, 드릴링 등 전통적인 재료가공에서 기존의 레이저들과 경쟁구도에 들어갔다. 그러나 지구의 온난화방지, 산업의 고도화, 무한경쟁이라는 Key Word에서 가장 경쟁력 있는 미래의 주력은 Fiber Laser임을 의심하지 않는다.

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