파이버 레이저 VS CO₂ 레이저

파이버 레이저와 CO₂ 레이저, 무엇이 어떻게 다를까? 이 글에서는 두 레이저의 파장 차이와 작동 원리를 시작으로, 소재별 가공 적합성, 속도·정밀도·효율의 차이, 설치 및 유지보수 측면의 구조적 특징까지 상세히 비교합니다. 금속 vs 비금속 가공에 따른 선택 기준과 최신 산업 트렌드까지 한눈에 정리된 인사이트를 확인해보세요.

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Apr 09, 2025

Contents

작동 원리와 파장 어떤 매질이 어떤 파장을 만들어내는가?레이저는 ‘전자기파’다 – 즉, 파장마다 성질이 다르다 재료의 전자 구조 & 분자 구조가 빛의 흡수율을 결정한다 가공 성능 및 산업 적용 분야 소재별 적합도 장단점 요약 비교 파이버 레이저의 급성장 원인

산업 현장에서 레이저 가공을 고려할 때, 파이버 레이저(Fiber Laser)와 CO₂ 레이저(CO₂ Laser)는 가장 널리 사용되는 두 가지 대표적인 기술입니다. 두 기술 모두 각각의 특성과 장점을 가지고 있으므로, 적용 분야에 따라 적절한 선택이 필요합니다. 아래에서는 두 레이저의 작동 원리, 가공 특성, 장단점, 그리고 최근 파이버 레이저가 급성장한 이유를 정리해 드리겠습니다.

작동 원리와 파장

파이버 레이저와 CO₂ 레이저가 왜 서로 다른 파장의 레이저를 방출하는가? — 이건 그 레이저가 어떤 ‘활성 매질(active medium)’을 사용하느냐에 따라 레이저가 생성되는 메커니즘 자체가 다르기 때문입니다. 레이저의 파장은 ‘어떤 원소 또는 분자’가 레이저 매질로 사용되는지에 따라 정해집니다. 각 매질은 특정 파장에서만 ‘광자(빛의 입자)’를 방출하는데, 그 파장이 바로 해당 레이저의 고유 파장이 되는 거죠.

구분	파이버 레이저	CO₂ 레이저
레이저 매질	희토류 도핑 광섬유 (주로 Yb:YAG 등)	이산화탄소 기체 혼합물
파장	약 1.06 μm (근적외선)	약 10.6 μm (원적외선)
에너지 전달 방식	유연한 광섬유로 빔 전달	거울을 통해 반사, 공기 중 전파 필요

어떤 매질이 어떤 파장을 만들어내는가?

레이저 방출은 기본적으로 양자역학적 에너지 준위 간의 전이에 의해 발생합니다. 즉, 에너지가 정확히 “딱 떨어지는” 전이만 일어나며, 그에 상응하는 정확한 파장의 빛(광자)만 생성되는 것이죠. 마치 피아노의 건반처럼, C → G음을 치면 딱 그 음이 나오는 것처럼, CO₂나 Yb³⁺도 자신만의 고유한 ‘파장 건반’을 갖고 있습니다.

구분	CO₂ 레이저	파이버 레이저
매질	CO₂ + N₂ + He (기체 혼합물)	Yb³⁺ 도핑 광섬유 (고체)
발진 원리	분자 진동 에너지 레벨 → 빛으로 방출	전자 에너지 준위 전이 → 빛으로 방출
방출 파장	10.6 μm (원적외선)	1.06 μm (근적외선)
응용	비금속 가공에 적합	금속 가공에 적합

파이버 레이저 : 고체 상태에서 생성되는 근적외선 (λ ≈ 1.06 μm)

광섬유 코어에 희토류(Yb 등)를 도핑하여, 펌프 다이오드로 여기한 후 레이저를 생성.

다이오드 레이저로 펌핑된 에너지가 Yb³⁺ 이온의 전자 전이를 유도, 이때 방출되는 **에너지가 1.06 μm (근적외선)**입니다.

이터븀은 전자 껍질 간의 전이 에너지가 1.06 μm에 해당하는 구조를 가졌기 때문에, 이 파장에서만 빛을 방출합니다. 즉, 파이버 레이저는 **전자 껍질 구조가 특정한 이온(Yb³⁺)**을 이용해서 빛을 방출하는 구조입니다.

생성된 빛은 유리 재질의 광섬유 내부를 통해 직접 전달됨.

CO₂ 레이저 : 기체 방전으로 생성되는 원적외선 (λ ≈ 10.6 μm)

CO₂ + N₂ + He 기체 혼합물에 고전압을 인가하여 레이저 발진.

고전압 방전으로 CO₂ 분자의 진동 에너지 레벨을 여기(excite)시켜, 이 에너지가 10.6 μm 파장의 레이저 빛으로 방출됩니다.

CO₂ 분자 구조(C=O 이중결합)는 이 정도의 원적외선 영역 에너지를 가진 포톤을 방출할 수 있습니다. 즉, CO₂ 분자는 10.6 μm 파장의 레이저만 만들 수 있는 구조를 가진 것입니다.

파장은 소재의 흡수율에 영향을 미치며, 이는 곧 가공 품질과 효율로 이어집니다. 금속은 1μm 대 파장을 더 잘 흡수합니다. 소재마다 파장에 따라 레이저 빛의 흡수율이 다른 이유는, 바로 빛(=전자기파)와 물질의 상호작용 방식이 물질의 전자 구조와 분자 진동 특성에 따라 다르기 때문입니다. 이걸 조금 더 친절하게 풀어볼게요:

레이저는 ‘전자기파’다 – 즉, 파장마다 성질이 다르다

레이저는 단순한 ‘빛’이 아니라 물리적으로는 전자기파(Electromagnetic Wave)이고, 파장이 달라지면 물질과 상호작용하는 방식도 달라집니다. 레이저가 특정 재료에 잘 작용하는지 여부는, 그 레이저의 파장이 그 재료의 전자 구조나 분자 구조와 ‘공명’하느냐에 달려있습니다. 파이버 레이저(1.06 μm)는 금속의 전자와 공명하고, CO₂ 레이저(10.6 μm)는 유기물의 분자 진동과 공명하는 것이죠.

파장	의미	에너지	대표 예시
자외선 (0.1~0.4 μm)	전자 전이 유도	고에너지	포토리소그래피, UV 커팅
근적외선 (~1 μm)	자유전자에너지 흡수	중간	파이버 레이저 (금속에 잘 흡수됨)
원적외선 (~10.6 μm)	분자 진동 흡수	낮음	CO₂ 레이저 (비금속, 유기물에 적합)

재료의 전자 구조 & 분자 구조가 빛의 흡수율을 결정한다

빛이 어떤 재료에 닿았을 때, 그 재료의 자유전자(free electrons), 분자 진동(molecular vibration), 또는 격자 진동(phonon) 등이 특정 파장의 에너지를 흡수하거나 반사하거나 투과하게 됩니다. 생각해보세요. 파장은 빛의 언어, 재료는 그것을 해석하는 수신기입니다. 각 재료는 자신이 잘 알아듣는 파장만 받아들이고(=흡수), 나머지는 무시하거나 반사하거나 투과시킵니다.

파장	주요 상호작용 대상	잘 흡수하는 재료	설명
UV~Vis (0.7 μm)	전자 전이	세라믹, 일부 반도체	고정밀 마이크로 가공
Near-IR (1.06 μm)	자유전자	금속, 합금	파이버 레이저용
Far-IR (10.6 μm)	분자 진동	비금속, 유기물	CO₂ 레이저용

금속은 자유전자가 풍부 → 근적외선(파이버 레이저)을 잘 흡수

금속은 자유전자가 많아 전자들이 **근적외선 영역(1 μm)**의 파장을 잘 흡수합니다.

하지만 원적외선(10.6 μm)은 너무 파장이 길어서 전자보다 격자 진동에 가까운 에너지, 즉 반사되고 흡수되지 않음.

비금속(플라스틱, 아크릴)은 분자 구조에 따라 원적외선 흡수율이 높다

CO₂ 레이저의 파장(10.6 μm)은 C-H, C=O 등 분자 결합의 진동 에너지와 유사 → 에너지가 효율적으로 전달됨.

그래서 플라스틱, 목재, 종이, 유기물 등은 CO₂ 레이저에 잘 절단되고 깔끔하게 가공됨.

가공 성능 및 산업 적용 분야

파이버 레이저와 CO₂ 레이저는 단지 레이저의 종류가 다른 것이 아니라, 빛의 성질, 생성 메커니즘, 광학 시스템 구성 방식까지 본질적으로 다릅니다. 이러한 차이는 가공 품질, 정밀도, 가공 대상의 범위, 장비 운영 효율성에서 실질적인 차이를 만들어내며, 그 결과 산업 현장에서의 선호도와 시장 점유율로 이어집니다.

항목	파이버 레이저	CO₂ 레이저
가공 대상	금속(철, 스테인리스, 알루미늄, 구리 등) 중심	비금속(아크릴, 목재, 플라스틱, 유리 등)에 강점
가공 종류	절단, 용접, 마킹, 드릴링 등 고정밀 금속 가공	절단, 각인, 조각 등 비교적 저출력 정밀 가공
정밀도	빔 품질이 높고, 작은 초점 지름 → 고정밀 가공 가능	상대적으로 빔 지름이 큼 → 정밀도 낮음
속도 및 효율	높은 광변환 효율(30~50%) → 빠르고 경제적	낮은 효율(10~15%) → 에너지 손실 많음
유지보수	밀폐형 구조로 낮은 유지비, 긴 수명	정기적인 정렬, 가스 교체 필요 → 유지보수 비용 증가
장비 설치	콤팩트, 유연한 빔 전달 → 라인 통합 용이	거울 기반 전달 → 복잡한 설치, 진동에 취약

하지만 실제로 산업 현장에서는 “꼭 파이버로만 금속을 가공해야 하나?”, “CO₂로도 금속 절단이 되지 않나?” 하는 의문을 갖는 경우가 많습니다. 오늘 그 궁금증을 기술적, 물리적, 실무적 관점에서 아주 체계적으로 풀어드릴게요

결론부터 말하자면… 바꿔 쓸 수는 있지만 “많은 제약”과 “품질 저하”가 따릅니다.

즉, 금속에 CO₂ 레이저를, 혹은 비금속에 파이버 레이저를 쓰는 것은 이론적으로 가능하지만, 가공 속도, 품질, 열영향 영역, 장비 안정성, 안전성 (반사광 등) 모두에서 효율이 떨어지거나 위험 요인이 증가합니다.

왜 CO₂ 레이저는 금속 가공에 불리할까?

항목	설명
❌ 흡수율 문제	금속은 10.6μm (CO₂) 파장을 대부분 반사시킵니다. 흡수되지 않으면 열이 발생하지 않아 가공이 되지 않죠.
❌ 높은 반사율 = 위험	금속 표면에서 강한 반사가 발생하면, 레이저 광이 거꾸로 튀어서 광학계 손상(백리플렉션 damage) 가능성↑
❌ 에너지 손실	같은 출력이라도, 파이버에 비해 에너지가 절반도 흡수되지 않음. → 비효율적 & 고출력 요구
❌ 가공 안정성 낮음	절단 품질이 불균일하거나 불안정. 특히 얇은 금속에서는 버(Burr)가 생기거나 녹아내림 현상 발생

보완 가능? 금속 표면에 흡수제(예: 흑색 코팅)**를 바르거나, 도파관을 사용해 고정된 에너지를 주입하는 방식 등으로 어느 정도는 가능하지만, 산업 생산성 측면에서는 매우 비효율적입니다.

왜 파이버 레이저는 비금속 가공에 불리할까?

항목	설명
❌ 파장-분자 공명 부재	파이버 레이저(1.06μm)는 비금속 분자 진동 에너지와 맞지 않음 → 흡수가 거의 되지 않음
❌ 투과 or 열 손상	아크릴, 투명 플라스틱, 목재 등은 파이버 레이저를 투과해버리거나, 변색/탄화 유발
❌ 절단 단면 품질 저하	단면이 갈색으로 타거나 녹아내리는 현상 발생 → 가공 품질 저하
❌ 정밀 조절 어려움	CO₂는 상대적으로 빔 스폿이 크고 부드러워, 플라스틱이나 섬세한 재료를 예쁘게 자를 수 있음. 반면 파이버는 너무 정밀해 오히려 열 집중 손상 발생

보완 가능? 파이버 레이저 대신 ‘그린 레이저’나 ‘UV 레이저’(짧은 파장)**를 사용하면 비금속도 일부 정밀 가공 가능합니다. 하지만 이는 이미 “파이버를 바꿔 쓰는 게 아니라, 아예 다른 레이저 선택지”가 되는 것입니다.

그렇다면 언제 예외적으로 바꿔 쓰기도 할까요?

취미용 레이저 커터에서는 CO₂로 얇은 금속판(0.2~0.5mm)을 시도하는 경우가 있습니다. 단, 속도 느리고 품질 낮습니다.

비금속 중에서도 일부 소재(특정 플라스틱, 고분자 소재 등)는 파이버 레이저에 부분 반응하기도 합니다. 그런데 고출력 CO₂ 레이저(>4kW)는 강제로 금속을 자를 수 있지만, 이는 장비 비용과 유지비용이 파이버보다 훨씬 큽니다.

소재별 적합도

아래는 금속, 비금속, 특수 소재까지 포함한 통합형 레이저 가공 적합도 차트입니다. 파이버 레이저(Fiber Laser)와 CO₂ 레이저(CO₂ Laser)의 가공 적합도를 한눈에 비교할 수 있도록 구성했습니다. 기호 설명은 아래와 같습니다:

◎ = 매우 적합 (Highly Suitable)

◯ = 적합 또는 조건부 적합 (Suitable / Conditionally)

△ = 제한적 적합 (Limited)

✕ = 부적합 (Not Suitable)

소재 분류	소재 예시	파이버 레이저	CO₂ 레이저	비고
금속	탄소강, 스테인리스, 알루미늄, 구리, 황동	◎	✕ ~ △	CO₂는 금속 반사율 높아 부적합
도금 금속	아연도금강, 니켈도금	◯	△	도금층 종류/두께에 따라 달라짐
코팅 금속	컬러강판, 페인트 처리 판재	◯	△	코팅층이 레이저 흡수에 영향
반사 금속	구리, 알루미늄, 금	◎ (백리플렉션 주의)	✕	반사광으로 광학계 손상 위험
플라스틱류	ABS, 아크릴, PC, PET	△ (일부 흑색만)	◎	파이버는 대부분 투과, 탄화 위험
투명 플라스틱	투명 PMMA, PC, PET	✕	◎	파이버는 파장 투과로 가공 불가
어두운 플라스틱	흑색 ABS, 검정 PBT	◯	◎	흑색이면 파이버도 가능성 있음
목재 및 유기물	MDF, 합판, 천, 가죽, 종이	✕	◎	파이버는 태워버림, CO₂는 부드럽게 가공
고무류	실리콘 고무, 우레탄	✕	◎	파이버는 열 집중 손상
세라믹/유리	유리, 사파이어, 산화세라믹	✕	△	일반적으로 UV/펨토 레이저 필요
반도체	실리콘, GaAs 웨이퍼	◯	✕	파이버는 가공 가능 (정밀도는 UV↓)
복합소재	CFRP, GFRP, 코팅재	◯	△	층별 흡수율 차이로 정밀 제어 필요

장단점 요약 비교

구분	파이버 레이저	CO₂ 레이저
장점	- 금속 가공에 최적화- 긴 수명 (≥100,000시간)- 뛰어난 에너지 효율- 유지보수 비용 최소화- 컴팩트한 장비 설계 가능	- 비금속 가공에 적합- 아크릴, 목재, 천 등 비금속 재료 절단 품질 우수- 초기 투자 비용이 상대적으로 저렴
단점	- 비금속(아크릴, 나무, 유리 등) 가공 성능이 떨어짐- 초기 장비 가격이 높을 수 있음	- 금속 가공에는 부적합- 높은 유지보수 요구- 효율 낮고 장비 부피 큼

파이버 레이저: All-in-one 구조 + 광섬유 빔 전송

빛이 유연한 광섬유 케이블을 통해 직접 전달됨 → 거울 미러가 불필요.

진동이나 정렬 문제 없음. 밀폐형 구조로 내부 부품 노출 없음.

모듈형 설계 가능 → 라인 내 통합 설치가 매우 용이.

CO₂ 레이저: 고정식 발진기 + 거울 리플렉터 체계

고전압 방전관과 복잡한 공진기 구조 필요.

빛은 거울을 연속 반사하며 가공 헤드로 이동 → 거울 정렬 필요, 먼지·진동에 민감.

빔 경로가 외부 공기 중에 노출되어 미러 오염 시 성능 저하, 수동 정렬 필수.

장비가 커지고, 설치 위치 제약이 생김.

항목	파이버 레이저	CO₂ 레이저
빔 전달	유연한 광섬유	미러 반사
정렬 필요성	거의 없음	정기적 필요
오염 민감도	매우 낮음	매우 높음
장비 부피	콤팩트	대형, 복잡
통합 설치성	라인 설계 유연	구조 제약 많음
진동 내성	강함	약함

파이버 레이저의 급성장 원인

최근 몇 년간 파이버 레이저의 시장 점유율은 폭발적으로 증가하고 있으며, 이는 다음과 같은 기술적, 경제적 이유에서 기인합니다.

금속 가공 수요 증가

전기차, 배터리, 반도체, 스마트폰 등 고정밀 금속 부품 수요 폭증.

파이버 레이저는 고속, 고정밀, 고효율의 금속 가공에 최적화되어 있어 선택이 집중됨.

총 소유 비용(TCO)의 우위

초기 비용은 다소 높을 수 있으나, 긴 수명과 낮은 유지보수 비용으로 총 소유 비용이 더 낮음.

전력 소모도 CO₂ 대비 최대 2~3배 효율적.

자동화 및 모듈화 용이

광섬유 기반 빔 전달 → 로봇, CNC, 머신비전과 쉽게 통합 가능.

소형화된 설계로 공정 라인 내 통합이 수월.

기술적 진보

펄스 제어, 다중 모드 빔, 고출력 CW 기술의 발전으로 용접·절단 외에 어닐링, 텍스처링 등 응용 확대.

특히 고출력 파이버 레이저(>10kW)는 두꺼운 철판 가공이나 고속 용접에서도 CO₂를 대체함.

산업 현장에서 금속 가공이 주를 이룬다면 파이버 레이저가 사실상 표준입니다. 반면, 비금속 가공이 주 목적이라면 여전히 CO₂ 레이저가 유효한 선택입니다.

궁금하신 내용이 있으신가요?
언제든지 친절하게 안내해 드리겠습니다.

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