안상훈

연구실장, 한국기계연구원

레이저는 유도 방출에 의한 광증폭

레이저는 복사의 유도 방출에 의한 광증폭 (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)의 줄임말이다. 유도 방출은 들뜬 상태에 있는 전자가 그 옆을 지나가는 광자에 의해서 기저 상태로 떨어지는 현상을 이야기하며 1917년 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein)에 의해서 처음 예측되었다. 이 때 기저상태로 떨어지는 전자는 유도 방출을 야기한 광자와 같은 위상과 파장을 가지게 된다. 1959년에 콜럼비아 대학의 고든 굴드(Gordon Gould)가 이러한 유도 방출을 광 증폭에 사용할 것을 제안하였고, 드디어 1960년 시어도어 메이먼(Theofore Maiman)이 합성 루비를 이용하여 694.3nm 파장의 레이저를 시연하는데 성공하였다. 그 후 1963년에 벨 연구소의 쿠마르 파텔(Kumar Patel)에 의해서 CO2 레이저가 개발되었고, 1967년에는 영국 the welding institute (TWI)의 피터 하울드크로프트(Peter Houldcroft)가 CO2 레이저로 1mm 두께의 강판을 절단하면서 레이저 가공의 역사가 시작되었다.

현재는 레이저를 이용하여 커팅, 드릴링, 밀링, 패터닝, 클리닝 등의 절삭 공정과 용접, 클래딩, 3D 프린팅 등의 적층 공정이 가능하게 되었다. 특히, 반도체, 디스플레이, 자동차, 이차전지와 같은 첨단 제품의 생산에서 고품질 초미세 가공의 필요성이 대두되면서 레이저 가공기가 사용되는 영역이 점점 더 넓어지고 있다. 

Markets and Markets가 2024년 2월에 출판한 “Laser processing market ? Global Forecase to 2029”에 따르면, 레이저 가공기 시장은 그림1에서 보는 바와 같이 2023년 6.2 B USD (약 8.5조원)에서 2029년 11 B USD (약 15.1조원) 규모로 연 평균 10.1%의 성장률을 보이면서 지속적으로 커져갈 것으로 예측된다. 참고로 지난 2019년도에 같은 회사에서 출판한 시장자료에서는 연평균 7.8%의 성장률을 예측하였는데, 5년만의 예측에서는 10.1%로 성장률을 증가시킨 점을 주목할 필요가 있다. 

레이저 가공기가 가장 많이 사용되는 공작기계 산업

2024년 현재 레이저 가공기가 가장 많이 사용되는 곳은 공작기계 산업이고, 전자부품, 자동차, 의료, 항공 및 국방, 그리고 건축 산업 순으로 적용되고 있다. (각각의 산업 분야별 시장 규모는 그림 2에서 확인할 수 있다.) 특히 우리나라 주력 산업인 반도체, 디스플레이, 자동차 등에 많이 쓰인다는 점을 주목할 필요가 있다. 이웃나라 중국에서는 지난 10여년 동안 매년 3,000억원에 육박하는 R&D 투자금을 레이저 및 광학 분야에 지속적으로 쏟아부었다고 들었다. 정확한 규모는 확인할 길이 없으나 최근 SIMTOS를 비롯한 각종 국제 전시회에 나오는 중국 업체들의 숫자가 기하급수적으로 늘어난 것을 보면, 투자의 효과를 실감할 수 있다. 5년전만 하더라도 중국의 레이저 업체들의 기술력이 선진국과 격차가 있었던 것이 사실이다. 그러나 지속적인 투자의 결과, 지금은 독일, 미국, 일본 등의 선진국 업체들과 대등한 제품 품질을 보여주고 있다. 레이저 기술이 우리나라의 주력 산업에 주로 사용되고 있는 만큼 우리나라의 산업 경쟁력 강화를 위해서는 레이저 기술에 대한 지속적인 투자가 이루어져야할 것이다. 

레이저 기술이 적용되는 분야

공정별로 레이저 기술이 가장 많이 적용되는 분야는 절삭이며, 용접, 드릴링, 마킹 등이 그 뒤를 잇고 있다. 특히 레이저 기술은 100mm 정도의 두꺼운 강판을 절단하거나, 고경도 난삭재 (다이아몬드, SiC 등)을 절단하는데 장점이 있다. 그리고, 유리, 세라믹, Si, 이차전지 음극재 등의 전자부품 재료의 절단에도 많이 사용되고 있다. 상대적으로 비용이 많이 들어가는 레이저 기술이 산업에 사용되기 위해서는 레이저를 적용해야만 하는 특별한 사유가 존재해야한다. 디스플레이 산업에서 레이저를 이용하여 유리를 절단하는 것도 다른 기술 대비 절단 후 강도가 높게 나오기 때문이며, 반도체 산업에서 레이저를 이용한 스텔스 다이싱을 적용하는 이유 역시, 블레이드 다이싱 대비 커팅으로 손실되는 면적이 더 적다는 것 때문이다. 레이저 용접과 관련해서는 자동차, 선박, 이차전지 제조 등에 많이 사용되고 있다. 레이저 용접 역시 경쟁 기술인 히트 바 용접 또는 아크 용접에 비해서 장점이 뚜렷한 공정에 선택적으로 적용되고 있다. 대표적인 예로 이차전지 캡 용접 공정을 들 수 있다. 해당 공정에서 레이저 용접이 타 기술 대비 용접 강도가 현저히 높다는 점 때문에 현장 도입이 증가하고 있는 것으로 알고 있다. 

레이저 가공기 성능을 차지하는 광원

다음으로 레이저 가공기 성능의 절반 이상을 차지하는 광원에 대해서 알아보겠다. 레이저 광원과 관련해서는 2024년 현재 고체 레이저가 가스레이저 대비 1.5배 정도 많은 시장을 가지고 있다. 특히 고체 레이저 중에서도 주위 환경에 영향을 덜 받고, 유지 보수가 상대적으로 용이한 광섬유 레이저의 비중이 매우 높다. 가스레이저 중에서는 전통의 CO2 레이저가 아직도 가장 많이 사용되고 있으며, 그 다음으로 엑시머 레이저가 많이 사용되고 있다. CO2 레이저와 엑시머 레이저 모두 고체 레이저 대비 높은 출력이 가능하다는 장점이 있다. 

특히 CO2 레이저의 경우에는 두꺼운 강판을 절단하는 공정과 유리 가공에 장점을 지니고 있으며, 엑시머 레이저의 경우에는 OLED 디스플레이 결정화 공정과 Laser lift off 공정에 많이 사용되고 있다. 또한, 엑시머 레이저는 DUV 파장을 가지고 있어서 반도체나 디스플레이에서 초정밀 패터닝이 필요할 때에도 각광 받고 있다. 각 광원별 시장 분포는 그림 4에 표시하였다. 레이저 광원의 주요 업체들에 대해서는 레이저 가공기 구성 부분에서 다시 설명하도록 하겠다.

레이저 가공기 시장을 지역별로 분석

레이저 가공기 시장을 지역별로 분석해보면, 규모가 가장 큰 시장은 우리나라가 속해있는 아시아 태평양 지역이다. 그중에서도 우리나라는 전세계 5위의 시장 규모를 차지하고 있다. (중국, 미국, 독일, 일본, 한국 순서) 그리고, 아시아 태평양 지역에서는 공작기계, 전자부품, 자동차 산업 순서대로 레이저 가공 기술이 많이 적용되고 있다. 레이저 가공기는 공작물이 고정되어있고 가공 헤드가 움직이는 이동 빔 방식과 가공 헤드가 고정되어있고 공작물이 움직이는 고정 빔 방식으로 구분할 수 있는데, 아시아 태평양 지역에서는 공작물과 헤드가 모두 이동하는 하이브리드 방식이 가장 많이 적용되고 있다. 이는 생산성을 높이기 위한 노력의 결과로 받아들일 수 있다. 그리고, 가공 공정 중에서는 절단과 용접이 가장 많은 비중을 차지하고 있는데, 실제로 반도체 디스플레이 제조 공정에서는 레이저를 이용한 절단이 많이 사용되고, 자동차와 이차전지 제조 공정에서는 레이저를 이용한 용접이 많이 사용되고 있어서 아시아 태평양 지역의 주요 산업과 레이저 가공 기술 시장이 잘 매칭되어있다고 볼 수 있다.

레이저 가공기는 부품, 모듈, 장비로 구분

레이저 가공기는 그림6에서 보는 바와 같이 부품, 모듈, 장비로 구분할 수 있는데, 이 중에서 광학소자와 광학 소자 고정 부품은 우리나라도 선진국과 큰 차이 없이 잘 만들고 있는 것으로 파악된다. 다만, 실제 부가가치가 가장 높은 모듈 (또는 서브시스템) 부분에서 우리나라와 선진국 사이에 기술력 차이가 발생하고 있다. 가장 많은 차이가 발생하는 서브시스템은 레이저 광원이다. 글로벌 top tier 회사들로 Coherent (美), Han’s laser (中), Trumpf (獨), IPG photonics (美) 등을 꼽을 수 있고, 아쉽게도 한국회사들은 top 10에 끼지 못하는 것이 현실이다. 국내에서는 이오테크닉스, 한광, 한빛레이저, 레이저앤피직스, 레이저닉스 등의 회사들이 분발하고 있으나, 아직 선진회사들과의 기술격차가 존재함을 인정할 수 밖에 없다. 주목할 만한 사항은 중국의 한스레이저가 상위권에 포진하고 있다는 사실이다. 실제 한스레이저의 시장점유율은 9-11% 정도 되는 것으로 파악되고 있으며, 한스레이저 이외에 레이커스 역시 극초단 레이저 시장에서 점유율을 늘려가고 있다. 이렇게 중국의 레이저 산업이 지속적으로 발전하고 있는데에는 앞서 말한 바와 같이 정부의 꾸준한 투자가 큰 역할을 했다고 판단된다. 이번 SIMTOS 2024에 참여한 중국 업체들 중 상당수가 자국 레이저 광원을 이용하여 장비를 구성한 것을 보더라도 정부와 민간의 지속적인 투자는 산업 경쟁력 강화에 밑거름이 된다고 할 수 있다.

레이저 기술 적용 분야 특허 기술 동향

다음으로는 앞으로의 레이저 기술 적용 분야를 알아보기 위해서 특허 기술 동향을 살펴보겠다. 2021년까지 등록된 레이저 기술 관련 특허를 살펴보면, 출원 업체 상위 20개 중에서 14개가 반도체 관련 업체들이고, 4개가 디스플레이 관련 업체, 그리고 2개가 학교(Univ. California, MIT)다. (그림7) (참고로 해당 자료에서는 중국의 학교, 연구소, 업체들에서 출원하여 등록한 것들은 제외하였다. 실제로 중국 기관들을 제외한 모든 특허 숫자를 합친 것보다 중국 기관들의 특허 등록 숫자가 더 많다.) 이를 토대로 앞으로 반도체 산업 분야에서 레이저 기술이 가장 많이 적용될 것이라고 쉽게 예측해볼 수 있다. 

본 기고의 앞부분에서 이미 레이저 기술이 적용되고 있는 산업의 두 번째로 전자부품 산업 분야를 꼽았었다. 그러나 특허 추이로 볼 때에는 향후 10년 이내에 레이저 기술이 가장 많이 적용되는 분야가 전자부품 산업이 될 것이라고 조심스럽게 예측해본다. 이는 우리나라에는 굉장히 좋은 소식이라고 판단된다. 특히, 메모리 반도체 산업 주도권은 아직까지 우리나라에 있기 때문에 우리나라 장비 업체들에게는 굉장히 큰 기회가 될 것으로 보인다. 다만, 레이저 가공기 핵심 부품의 국내 기술력을 높여야 실질적인 경쟁력을 갖출 수 있을 것이다. 이를 위해서는 레이저의 기초가 되는 광학기술에 대한 투자 역시 이루어져야한다고 생각된다. 현재 광학 기술의 주도권은 독일과 일본이 가지고 있다고 판단된다. 독일 이외에도 체코나 리투아니아를 비롯한 유럽의 광학 기술 역시 독일이나 일본에 결코 뒤지지 않는다고 생각된다. 우리나라는 한국전광, 그린광학, 삼양옵틱스 등의 업체들이 기술력을 끌어올리고 있는 중으로 파악된다. 그리고, 광학 기술 발전은 역사적으로 국방기술과 직결되어왔기에 단순히 첨단 산업 기술 경쟁력을 위해서만이 아니라 국방력 강화를 위해서라도 다방면에서 투자가 이루어져야한다고 생각한다. 광학 기술이 가장 앞서있다고 손꼽히는 독일을 살펴보면, 칼 자이스 (Carl Zeiss), 어니스트 아베 (Ernst Abbe), 오토 스캇 (Otto Schott)이 1846년부터 170년 이상 꾸준히 쌓아온 경험적 기술 지식들이 지금의 경쟁력을 만들었다고 해도 과언이 아니라고 생각한다. 우리나라의 광학 기술의 역사는 길게 잡아도 1980년대 초반으로 그 시작점을 잡을 수 있기에 아직은 가야할 길이 멀다. 그러나 그 짧은 역사에도 불구하고 몇몇 기술들은 선진국과 비교해도 밀리지 않는 수준까지 올라왔기에 앞으로의 발전을 기대해볼만하다. 

정부 및 민간의 지속적인 투자

여기까지 살펴본 바와 같이 레이저 가공 기술은 우리나라 핵심 산업인 반도체, 디스플레이, 자동차, 이차전지 산업의 초격차를 위해서 매우 중요한 기술이며, 앞으로도 정부 및 민간의 지속적인 투자가 이루어져야 우리나라의 기술 주도권을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.