일본산업뉴스요약

고성능 레이저의 연구 개발 열기 뜨거워
미쓰비시덴키와 도쿄대, 고정밀도 미세 가공 실현 목표

▶가공용 레이저: 레이저는 퍼지지 않고 똑바로 나아가는 특성을 가지고 있어 거리 및 형태에 대한 정밀 측정, 광디스크 정보 탐독 등에 이용되어 왔다. 최근, 출력이 큰 레이저를 발생시키는 기술로 인해 가공 용도에서도 이용이 확대되고 있다. 금속과 플라스틱, 글라스의 절삭, 구멍 뚫기 등에 이용되고 있다.
다양한 종류의 레이저를 발생시키는 재료나 방법 가운데 이산화탄소 레이저와 광섬유로 증폭되는 섬유 레이저가 현재 주류이다. 파장 및 조사 시간에 따라 가공의 특성이 달라, 기존에는 어려웠던 소재 가공 등을 목표로 연구 개발이 활발하다.

-- 제조 능력으로 세계와 경쟁 --
고성능 레이저를 재료 가공에 활용하는 연구 열기가 뜨겁다. 구미(歐美)와 중국 등이 기술 개발에서 앞서고 있는 가운데 일본은 정밀도가 매우 높은 미세 정밀 가공을 실현하는 레이저 기술을 통해 반격을 노리고 있다. 대량의 가공 데이터와 AI를 결합해 최적의 가공법을 제안하는 시험도 시작했다. 일본의 제조 기술의 경쟁력을 유지하는 열쇠가 될 가능성이 있다.

금속 등 소재 가공에는 절삭과 용접, 연마, 구멍 뚫기 등 다양한 방법들이 있다. 레이저를 이용한 이와 같은 가공기 시장 규모는 세계적으로 연간 약 2조엔으로, 날붙이 등이 도입된 공작기계 시장의 20~30% 규모라고 한다. 가공의 빠른 속도와 유지 관리가 쉽다는 것이 특징으로, 전자기기의 소형화 등을 배경으로 정밀한 가공이 강점인 레이저 이용 수요가 확대되고 있는 가운데 최근에는 빠른 속도로 성장하고 있다.

널리 보급되고 있는 이산화탄소 레이저에서는 일본 기업들이 강점을 가지고 있었지만, 에너지 효율성이 우수한 섬유 레이저에서 미국의 IPG포토닉스 등이 존재감을 높이고 있다. 제조업의 고도화를 서두르는 중국 기업들도 급속도를 성장하고 있다. 이대로 간다면 일본의 제조 기술의 경쟁력은 저하될 수 있다는 위기감에 기업들은 보다 정밀도가 높은 가공 기술 개발로 반격을 도모하고 있다.

미쓰비시덴키(三菱電機)와 오사카대학, 레이저 기기 제조사 스펙트로닉스(오사카)는 ‘심자외(深紫外, DUV)ㆍ피코초단위레이더(Picosecond laser)’의 출력을 높이는 기술을 개발했다. 파장은 266나노미터로 짧아 강한 에너지를 보유. 피코초 단위의 조사 시간에 단속적으로 레이저를 쏜다.

지금까지 이 레이저는 2와트 정도의 출력밖에는 내지 못해 이용이 활성화되지 못했지만, 약 10배인 20와트 이상으로 향상될 수 있을 전망이다. 출력 10와트 급의 제품을 2020년에 판매하고, 2021년에는 20와트 급의 실용화를 목표로 하고 있다. 50와트로 높이는 것도 시야에 넣고 있다.

유망한 응용 사례는 전자 회로 기판의 가공이다. 수 마이크로미터의 미세한 구멍을 핀포인트로 뚫을 수 있다. 매우 짧은 시간 동안에만 레이저를 쏘기 때문에 구멍 주위가 녹는 문제는 발생하지 않는다.

스마트폰 등 전자기기의 고성능화가 한층 더 추진되면서 기판에는 많은 부품이 탑재되고 배선이 고밀도화되고 있어 보다 작은 구멍을 뚫는 기술이 요구되고 있다. 반도체와 배터리, 자율주행차에 이용되는 센서 등의 소재 가공에서도 이용이 전망되고 있다.

사파이어글라스와 같은 단단하고 튼튼한 재료를 자유자재로 절단하는 것도 가능해 ‘흠집이 나지 않는 유리’로써 스마트폰 화면 등으로의 이용이 기대되고 있다.

또한 도쿄대학의 고바야시(小林) 교수팀은 파장과 조사 시간이 짧은 레이저를 이용해 가벼운데 단단한 탄소섬유강화플라스틱(CFRP)을 자유자재로 절단하는 기술을 개발했다.

CFRP는 항공기 기체 등에 채택되고 있지만 가공이 어려워 분야가 한정적이기 때문에 원하는 형태로 가공하는 기술을 요구하는 목소리가 많다. 고바야시 교수팀은 CFRP를 종이 세공과 같이 정밀하게 잘라 내는 실험에 성공. 자동차 등으로 용도를 확대할 수 있을 것으로 보고 있다.

고바야시 교수를 중심으로 레이저 가공에 대한 다양한 데이터를 AI에게 학습시켜 최적의 가공법을 이끌어 내는 연구도 시작되었다. 2017년에 만들어 진 컨소시엄에는 미쓰비시덴키 등 포함해 약 50개 기업 및 대학이 참가, 신에너지·산업기술종합개발기구도 개발을 지원하고 있다.

컨소시엄에서는 파장 등 10종류 이상의 입력 데이터와 가공한 소재의 완성도를 AI에게 학습시킨다. 소재 등에 적합한 최적의 가공법을 AI가 판단할 수 있도록 하는 것이 목표이다. 고바야시 교수는 “5년 후에는 실용성을 예측할 수 있는 단계로 발전시키고 싶다”라고 말한다.

일본은 공작기계에 강해 소재 가공에 강점을 가지고 있다. 하지만 인력 부족이 심각해 지고 있고 숙련된 기술을 가진 베테랑 직원의 감소도 예상되고 있다. 중국 등과의 경쟁도 심화되고 있는 가운데 레이저 가공 기술에서 우위에 설 수 있을지 여부는 일본 제조 기술의 경쟁력을 좌우하게 될 것이다.

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