Laser MicroJet (레이저 마이크로젯)

시노바가 레이저 마이크로젯® (Laser MicroJet®) 기술 개발에 성공함에 따라 워터젯과 레이저빔 양쪽의 장점을 융합해 미세가공에 적용하는 것이 드디어 가능해졌습니다. 레이저 마이크로젯®은 물과 공기의 굴절률의 차이를 이용해 레이저빔을 미세물줄기 안에 가두는 워터젯 레이저 기술입니다.

미세물줄기는 마치 광섬유와 같이 파동길잡이 (waveguide) 역할을 하며, 발산 없이 레이저빔을 전달합니다.

 

 

레이저 마이크로젯® 기술을 쓰면 긴 작업 거리 (working distance; 레이저 빔이 발산 없이 전달되는 거리)를 유지할 수 있고 물줄기로 절단면을 효율적으로 냉각시킬 수 있어, 다공질 및 복합층 구조의 민감한 시료들도 물리적인 손상이나 열 손상 없이 깨끗하게 가공할 수 있습니다. 이는 고압 워터젯 공법과 기존의 레이저 공법을 모두 뛰어넘는 장점입니다.

기존의 레이저 공법에서는 광학렌즈를 써서 레이저빔을 집중시키는데, 이러한 방식을 쓰면 레이저빔의 발산 때문에 유효한 작업 거리가 불과 수 mm 정도밖에 되지 않습니다.  따라서 두꺼운 시료를 절단하는 것이 힘들고, 작업 거리를 늘리기 위해 레이저의 출력을 높이면 열손상을 입는 부위 (heat-affected zone)도 함께 늘어나게 됩니다. 게다가 가공 중 절단면에서 발생하는 찌꺼기가 절단면 주위에 남아 시료를 오염시킬 수도 있습니다.

물줄기 안에 적절한 각도로 레이저빔을 집어넣으면 물과 공기의 경계면에서 전반사가 일어나고, 따라서 물줄기가 온전하게 유지되는 한 레이저빔은 발산없이 전달됩니다. 시노바의 레이저 마이크로젯® 기술을 쓰면 레이저빔을 수십 마이크로미터 폭으로 최대 10센티미터까지 전달해 작업할 수 있습니다. 또한 물줄기를 이용해 절단과 동시에 절단면을 신속하게 냉각시키고, 절단 중 발생하는 찌꺼기를 제거할 수 있습니다.

고압 워터커팅 공법 대비 장점

고압 워터커팅 공법 (high-pressure water cutting)과는 달리, 레이저 마이크로젯® 기술은 낮은 압력의 물줄기를 사용합니다. 물줄기를 통해 전달되는 물리력이 미미하기 때문에, 고압 워터커팅으로 처리할 수 없는 민감한 시료도 아무런 문제없이 가공할 수 있습니다. 레이저 마이크로젯® 기술에서 물줄기는 절단면을 냉각시키고 찌꺼기를 제거하는 역할만을 담당합니다.

 

기존 레이저 공법 대비 장점

기존 레이저 공법으로는 시료의 열손상을 피하기 힘듭니다. 레이저 마이크로젯® 기술을 쓰면 물줄기를 이용해 절단과 동시에 절단면을 신속하게 냉각시켜 열손상을 완전히 피해갈 수 있습니다. 따라서 레이저 마이크로젯® 기술은 “냉(冷)식 레이저 공법” (cold laser cutting)이라고 할 수 있습니다.

 

두 가지 방식을 능가하는 다목적성

고압 워터젯 공법과 기존의 레이저 공법으로는 절단하기 곤란한 형태도 레이저 마이크로젯® 기술을 쓰면 충분히 구현할 수 있습니다. 긴 작업 거리와 물줄기의 레이저빔 전달 특성 덕분에 복잡한 3차원 가공이 가능하기 때문입니다.

 

 

	워터제트 절단	레이저 절단	마이크로 제트 절단
절단 에너지 공급 형태	물	빛 1064 nm; 10.6 µm	빛(워터제 트 아님) 532nm; 1064 nm
에너지 원	고압 펌프 3000 - 4000 bar	고체 레이저 가스 레이저	고체 레이저
전달 방법	고정된 고압 호스	광 fiber 전달, 거울에 의해 빔이 전송된다	빛은 물(fiber)에 의해 전달하기 때문에 높은 유연성 가짐.
물질의 제거 방법	고압 제트	가스 제트, 따라서 가스의 보충이 필요	워터제트, 시스템은 가스 없이 작동한다
노즐과 재료의 거리 및 정밀도	약 3mm±1mm, 거리센서, Z축에서의 조정 필요	약 0.5 mm±0.1mm,　거리센서, Z축에서의 조정 필요	0 - 100 mm, 거리센서, Z축에서의 조정이 불필요

마이크로 제트는, 워터제트 절단(냉각, 긴 작업 거리)과 레이저 절단(정밀 및 빠름)의 이점을 조합했습니다.

 

	워터제트 절단	레이저 절단	마이크로 제트 절단
기계 장치	작업 공간과 펌프는 별도의 위치에 설치 가능	레이저는 통상 기계 내에 설치	작업 공간과 레이저 및 펌프는 물(fiber)로 전달되기 때문에 별도의 위치에 설치 가능
표준 테이블 치수	2500 x 1250 mm - 4000 x 2000 mm	300 x 300mm - 1000 x 600mm; 2500 x 1250 mm - 6000 x 2000 mm	300 x 300 mm - 1000 x 600 mm
가공품에 대해서의 표준 빔/제트 발전력	4 kW - 17 kW (4000 bar)	100 - 400 W; 1500 kW - 2800 kW	50 W - 300 W
일반적 어플리케이션	절단, 제거, 형태 가공	절단, 구멍내기, 음각, 제거, 형태 가공, 용접	절단, 구멍내기, 음각, 제거, 형태 가공
3D절단	잔여 전력의 파괴 문제가 있기 때문에 일부 가능	고정된 빔 가이드와 거리의 제약 때문에 곤란	물이 동력을 전달 및 작업 거리가 길기 때문에 문제 없음
절단 가능한 재료	전 재료	전 금속, 전 플라스틱, 유리, 목재, 세라믹	모든 금속, 반도체, 세라믹, 고강도 재질
재료 편성	예외 없이 가능	다른 융점 재료는 절단 불가	흡수가 충분하면 가능
구멍 근처 샌드위치 구조	한정	불가능	50mm까지 가능

레이저 마이크로 제트는 열에 의한 대미지가 없고, 특히 박막소재의 고 정밀 가공에 적합합니다.

	워터제트 절단	레이저 절단	마이크로 제트 절단
액세스 곤란한 절단 재료	노즐과 재료의 거리가 짧게 한정되어 있다	거리가 짧고 절단 헤드가 크기 때문에, 거의 불가능	작업 거리가 길기 때문에 다양한 가공이 가능
가공에 영향을 주는 재료 특징	재료 경도	흡수 1064nm 또는 10.6μm 의 재료 특징	흡수 532nm 또는 1064nm의 재료 특징
가공을 경제적으로 할 수 있는 재료의 두께	10 - 50 mm	재료에 따라서 0.1 - 10mm	재료에 따라서 0.001 - 5mm
최대중요 어플리케이션	금속 시트의 절단 가공	금속 시트 절단 가공	열 대미지가 매우 적으므로, 민감하고 얇은 재료의 정밀 절단

레이저 마이크로젯 운영에 대한 비용은 기존 방식보다 더 저렴합니다.

 

	워터제트 절단	레이저 절단	마이크로 제트 절단
소모 부품	워터제트 노즐, 초점 정합 노즐, 고압 부품(밸브, 호스, 밀봉구)	보호 유리, 가스, 노즐, 먼지와 미립자 필터	플래시 램프, 웨이터 제트 노즐, 보호 유리, 물 절단용 필터
전시스템 평균 소비	20kW pump: 전력： 22 - 35kW 물：150 l/h 연마력: 36kg/h 절단 폐기물의 처리	1500 ×　CO2 레이저 전력： 24 - 40kW 레이저 가스(CO2, N2, He):2-16 l/h 절단 가스(O2, N2):500-2000 l/h	200W Nd: YAG펄스 레이저 전력：15kW 물 6 l/h

마이크로 제트는 초박막의 절단면 절단이나 섬세한 표면 처리에 특별히 적합하고 있습니다.

 

	워터제트 절단	레이저 절단	마이크로 제트 절단
최저 절단면 절단폭	0.5 mm	절단 스피드에 따라 0.15mm	절단 스피드에 따라 0.025mm
절단면 상태	양호	잔류 응력 있다.	매우 양호
절단 면의 평행도	매우 좋다.	좋다.	매우 좋다.
가공 정밀도	약 0.1mm	약 0.05mm	< 0.005 mm
Burring	없음	일부 존재	없음
재료의 열 대미지	없음	변형, 경도 및 구조 변화	거의 구조 변화 없음
가공 중 재료에 참가하는 힘	비싸다. 그 때문에 얇고 작은 부품의 가공은 어느 정도까지 한정된다	얇은 작업품의 경우 가스의 압력이 문제를 일으키는, 거리 불안정	매우 적어, 초미세 재료의 가공도 문제 없게 할 수 있다

마이크로 제트는 변형이나 열에 약한 재료의 고정밀 처리에 특히 적합합니다.

 

	워터제트 절단	레이저 절단	마이크로 제트 절단
취급 안전 필수 조건	보호 안경, 귀의 보호, 워터제트와의 접촉을 막기 위한 보호	특수 보호 안경이 필요	특수 보호 안경이 필요；워터제트에 대한 위험은 없다.
연기 및 먼지의 발생	흩날리는 물의 입자로 오염된다	발생한다. 플라스틱과 어떤 종류의 합금이 유해 가스를 발생시킨다	적다. 이유는 어시스트 가스가 불필요해 대부분이 물에 흡수되기 때문이다.
소음 오염	크다	낮다	낮다
기계가 더러워지는 것	크다	낮다	매우 낮다
절단에 수반하는 폐기물	연마제를 포함한 절단 후의 폐기물이 대량으로 발생	절단에 의해 폐기물이 나온다. 거의 먼지상태이므로, 제거 설비가 필요하다	절단에 의한 폐기물은 주로 물로 흡수된다.

마이크로 제트는 제일 오염의 적은 가공 방법입니다.

 

	워터제트 절단	레이저 절단	마이크로 제트 절단
발명자	프란츠 박사 (McCartney,미국) 1970년	레이저：T.H. 마이 맨 (미국), 1960년 레이저 가공： 1963년 CO2 레이저：1968년	B. 리처즈 하겐 박사 (스위스　 EPFL), 1994년
첫 공업용 기계	1971년-Ingersoll-Rand, 미국 1985년 연마제 포함된 제트 사용	1965년 미국	1997년 스위스, SYNOVA’SA
장래의 발전	가능성을 다 연구한 때문 거의 신발전의 기대는 되지 않는다.	가능성을 다 연구한 때문 거의 신발전은 기대되지 않는다.	큰 발전의 가능성 있다. 예를 들면 레이저 다이오드를 사용해 LD여기 광원으로서 또는 직접 광원으로서의 이용 가능성이 있기 때문임.
워터제트 가이드(마이크로 제트)를 사용한 기존의 기계의 확장	추천 불가능.	Nd: YAG 펄스 레이저를 사용해 실현은 용이하게 할 수 있다

레이저 ·마이크로 제트는 많은 가능성을 숨긴 장치입니다.