Component : Beam Delivery
레이저 빔 딜리버리 시스템이란 무엇이며 어떻게 설계해야 할까요? 레이저 가공 시스템 설계 시 빔 딜리버리 파트를 어떻게 최적화할 것인가? 파이버, 스캐너, 포커싱 렌즈 등 구성 요소별 기능과 핵심 파라미터를 상세하게 설명합니다.
Apr 05, 2025
레이저 빔 딜리버리 시스템 – 정밀 광학의 핵심 루트
산업용 레이저 가공 시스템은 단순히 레이저 발진기만으로 구성되지 않습니다. 고출력의 안정적인 레이저 빔이 가공 표면까지 정확히 전달되기 위해서는 ‘Beam Delivery System’(빔 딜리버리 시스템) 이라는 복잡한 광학 경로와 정밀 기계구조가 필요합니다.
Beam Delivery System은 레이저 가공 품질, 생산성, 안전성에 직결되는 핵심 파트입니다. 본 포스트에서는 레이저 시스템 구성 요소 중 두 번째 핵심인 빔 딜리버리 파트에 대해 구체적으로 설명드리겠습니다.
Beam Delivery System이란?
Beam Delivery System은 레이저 소스에서 발진된 빔을 원하는 위치로 안정적으로 전송하는 역할을 합니다. 이 경로에서 빔은 다음과 같은 물리적 과정을 거칩니다:
- 반사 (Reflection): 미러를 통해 빔 방향을 조절
- 전송 (Transmission): 파이버를 통해 먼 거리까지 빔을 전송
- 성형 (Shaping): 빔의 크기, 모양, 에너지 분포를 변경
- 집속 (Focusing): 원하는 초점 깊이로 빔을 집속
- 보호 (Protection): 유해한 반사광 및 파편으로부터 시스템 보호
주요 구성 요소
구성 요소 | 역할 | 특징 및 설명 |
전송 파이버 (Fiber Cable) | 고출력 레이저의 장거리 전송 | 단일모드/멀티모드, 빔 품질(M²)에 영향 |
반사 미러 (Turning Mirror) | 빔 방향 변경 | 금속 코팅, 수냉 방식으로 열 안정성 확보 |
Beam Expander / Collimator | 빔 직경 및 평행도 조절 | Beam Shaping에 중요한 선행 단계 |
Protective Window | 오염 및 열손상 방지 | 소모품 형태로 정기 교체 필요 |
Beam Combiner | 정렬용 파장 또는 비전 빔을 합성 | 동축 비전 시스템과 연계 |
Focusing Optics | 최종 가공 초점 형성 | F-Theta 렌즈 또는 Aspheric Lens 사용 |
Coaxial Nozzle / Shielding | 보호가스, 분말, 냉각수 분사 | 클래딩/용접/절단에서 필수 |
Beam Dump / Isolator | 후방 반사 빔 제거 및 보호 | 고출력 가공 시 레이저 보호 장치로 필수 |
중요 파라미터
항목 | 의미 | 측정 방법 |
빔 직경 (Beam Diameter) | 특정 거리에서의 빔 크기 | Knife-edge 방식, CCD 프로파일러 |
빔 품질 (M² Factor) | 빔의 이상적 가우시안 정도 | ISO 11146 기준 측정 |
에너지 균일도 (Top-hat 여부) | 중심-가장자리 간 출력 편차 | 파워 맵핑 또는 샘플 패턴 분석 |
포커스 위치 정확도 | 초점이 위치해야 할 지점과의 오차 | 거리 센서, Z축 조절 테스트 |
배광 각도 (Divergence Angle) | 빔의 퍼짐 정도 | 대물렌즈 사용하여 거리별 직경 비교 |
전송 효율 (Transmission Efficiency) | 소스 대비 출력 도달률 | 입/출력 파워 비교 (W 단위) |
산란광 및 후방반사 | 광학 손상 및 안전성 평가 지표 | 파워 센서, 열 카메라, 광학 손상 스캔 |
설계 및 운용 고려사항
레이저 가공 시스템 설계 시 빔 딜리버리 파트를 어떻게 최적화할 것인가?
1. 고출력 대응
- 3 kW 이상 출력에서는 미러의 반사율과 내열성, 파이버의 모드 손실 및 AR 코팅 내구성이 매우 중요합니다.
- 고출력일수록 냉각 메커니즘(미러 수냉, 렌즈 냉각)이 필요합니다.
2. 정밀 초점 제어
- 초점 거리(Focal Length), F-number, Depth of Focus 등을 기준으로 설계되어야 하며, 공정별 요구에 따라 모듈 교체형 렌즈 구성이 효율적입니다.
3. 반사 빔 대응
- 금속 가공 시 후방 반사광(Back Reflection)은 파이버와 발진기에 손상을 줄 수 있으므로, 광 아이솔레이터, Beam Dump, 자동 Shut-down 회로 등과 연동 필요
4. 유지보수 용이성
- 보호창 교체 주기 및 먼지 관리, 정렬 마커 확인을 위한 정밀 정렬용 인터페이스 필요
- 간단한 Alignment Laser 또는 비전 시스템을 통한 정렬 보조 기능 유용
파이버와 스캐너
레이저 가공 시스템에서 레이저 발진기는 "에너지의 심장"이라면, Beam Delivery 시스템은 "혈관"에 해당합니다. 특히, 파이버(Fiber)와 스캐닝 헤드(Scanning Head)는 이 시스템의 핵심 역할을 하며, 레이저 빔의 품질, 안정성, 가공 성능을 직접 좌우하는 컴포넌트입니다.
레이저 가공 시스템의 정밀도, 생산성, 안정성은 파이버와 스캐닝 헤드의 조합과 설계에 달려 있습니다. 특히 고속·고출력 환경에서 이 두 컴포넌트는 단순한 연결부를 넘어, 전체 시스템의 퍼포먼스를 결정짓는 핵심 엔지니어링 요소입니다. 시스템 설계 또는 업그레이드를 고민하는 기업이라면, 아래 요소들을 반드시 전문적으로 검토해야 합니다:
✅ 가공 공정에 최적화된 파이버 사양 선정
✅ 스캐닝 헤드의 조사면, 속도, 정밀도 기반 맞춤 설계
✅ 파이버-헤드 간 광학 정합성 확보
✅ 냉각, 보호, 제어 시스템과의 통합성
파이버
파이버는 레이저 발진기에서 생성된 빛을 공정 영역까지 손실 없이, 안정적으로 전달하는 경로입니다. 고출력의 에너지를 수십 미터 이상 전송하면서도 빔 품질을 유지해야 하므로, 설계 및 제조 정밀도가 매우 높은 컴포넌트입니다.
- 유연한 설치성: 고정식 또는 로봇에 탑재된 헤드에 자유롭게 연결 가능
- 고출력 대응력: 일부 파이버는 최대 20 kW 이상의 레이저도 전송 가능
- 높은 내구성: 열손상, 미세먼지, 벤딩에 의한 파괴에 강한 구조 설계
파이버 전달
1.06μm 파장 산업용 레이저에 사용되는 전달 파이버는 '스텝 인덱스' 설계를 채택합니다. 이는 높은 굴절률을 가진 코어를 낮은 굴절률의 클래딩이 감싸는 구조입니다. 빛은 코어와 클래딩 사이의 굴절률 차이로 인해 계면에서 전반사되어 전달됩니다. 이러한 파이버의 주요 특징은 출력 빔이 직경 전체에 걸쳐 균일한 강도 분포를 보인다는 것입니다.
- Core : 세로로 확장된 고굴절률 광학 매체
- Cladding : 저굴절률 매체로서 코어를 둘어싸고 있음
코어 직경은 레이저 출력에 따라 다양하며, 펄스 Nd:YAG 레이저의 경우 100~600μm, 단일 모드 파이버 레이저의 경우 10~20μm입니다. 파이버는 고순도 용융 실리카로 제작되어 레이저 파장에서의 손실을 최소화합니다.
레이저 빔을 파이버에 효과적으로 전달하려면, 파이버 표면의 초점 스팟 직경이 파이버 코어 직경보다 작거나 같아야 전송 손실을 최소화할 수 있습니다. 상용 시스템에서는 초점 스팟 크기를 코어 직경의 80~90%로 설정하는데, 이는 파이버 조정을 용이하게 하고 레이저 매개변수에 의한 스팟 직경 변화를 줄여줍니다. 또한 입력 레이저 빔의 발산각은 파이버의 수치 조리개(NA)로 정의되는 수용 각도보다 작아야 합니다.
출력 빔의 작업물 전달은 매우 중요한 과제입니다. 파이버 레이저 빔 전달 시스템은 오염물질이나 작업물에서의 반사광으로부터 파이버 단면을 보호해야 합니다. 마이크로용접 응용에서 고품질 빔을 효과적으로 활용하기 위해서는 우수한 광학 장치와 '렌즈를 통한' 시야 확보가 필수적입니다.
전달 파이버 끝의 유효 모드 영역은 단일 모드 빔의 경우 매우 작습니다. 이로 인해 파이버 끝의 전력 밀도가 매우 높아져서 오염물질이나 역반사광에 의해 쉽게 손상될 수 있습니다. 이러한 손상을 크게 줄이기 위해서는 파이버 끝을 성형하여 빔이 실리카 재료를 빠져나오기 전에 직경이 확장되도록 할 수 있습니다.
주요 사양
선택 시 고려사항
- 가공 목적(정밀 vs 대면적)에 따른 코어 직경 최적화
- NA와 포커싱 광학계의 정합성
- 열적 안정성과 반복적 굽힘 내구성(특히 로봇에 장착 시)
항목 | 설명 | 주요 고려사항 |
코어 직경 (Core Diameter) | 레이저가 전송되는 중심 채널의 지름 | 일반적으로 50~600 μm. 가공 정밀도 및 파워 밀도에 영향 |
전송 파워 (Power Handling) | 파이버가 안전하게 전송할 수 있는 최대 레이저 출력 | 열 손상 방지를 위해 정격 출력 이하 운용 필수 |
NA (Numerical Aperture) | 레이저가 수용되는 각도 범위 | 빔 수렴도 및 포커싱에 영향, 스캐너 렌즈와 매칭 필요 |
길이 (Length) | 일반적으로 5~20 m | 장거리 설치 시 파워 손실 및 빔 왜곡 주의 |
피복 구조 (Cladding/Buffer) | 열 및 기계적 보호층 유무 | 산업용 환경에 따라 내열/내충격 구조 필요 |
커넥터 타입 | QBH, QD, SMA 등 | 레이저 소스 및 헤드와의 호환성 중요 |
스캐닝 헤드
스캐닝 헤드는 레이저 빔을 빠르게 이동시켜 원하는 패턴으로 조사하는 광학 장치입니다. 갈바노 미러(Galvano Mirror)와 F-theta 렌즈 등으로 구성되며, 마킹, 용접, 표면 처리 등에서 정밀한 가공 궤적을 만들어냅니다.
스캐닝 헤드를 사용한 레이저 마이크로용접은 기존 시스템보다 큰 공간 자유도를 제공합니다. 갈바노미터 미러의 고정식 또는 이동식 배열에 따라 작은 면적부터 수 제곱미터까지의 영역을 스캔할 수 있습니다. 밀리초당 수 미터의 빠른 속도로 처리가 가능해 사이클 시간이 크게 단축되고 생산성이 향상됩니다.
일반적인 용접 응용 분야에서 실제 용접 시간은 전체 사이클 시간의 20~50%에 불과하며, 나머지는 시스템 위치 지정과 로딩에 소요됩니다. 스캐닝 헤드를 활용하면 제조 공정의 비생산적 시간을 줄여 용접 시간을 최대 90% 이상 증가시킬 수 있습니다. 또한 원형, 사인파, 개방형 원형, 나선형 등 다양한 기하학적 패턴으로 용접이 가능해 기존 스팟 및 MIG 용접보다 구조적으로 유리합니다.
구성요소 및 기능
구성요소 | 설명 |
갈바노 미러 | 전기 신호로 고속 회전하는 미러, X-Y 축 제어 |
F-theta 렌즈 | 평면 위에 레이저 초점을 균일하게 유지 |
프로텍션 윈도우 | 오염 및 손상 방지를 위한 보호 유리 |
냉각 시스템 | 열 안정성을 위한 공랭 or 수랭 구조 |
주요 사양
항목 | 설명 | 고려사항 |
조사 면적 (Scan Field) | F-theta 렌즈의 사양에 따라 결정 (예: 100×100 mm) | 고배율/광범위 중 선택 필요 |
스캔 속도 | 일반적으로 2~10 m/s 이상 | 고속 가공 시 안정성 확보 필수 |
정밀도 (Repeatability) | ±10~20 μm 수준 | 미세 마킹·패터닝에 영향 |
냉각 방식 | 공냉식 or 수냉식 | 고출력 연속 운전 시 냉각 안정성 중요 |
인터페이스 | 아날로그/디지털 제어 (SL2-100, XY2-100 등) | 제어장비와의 호환성 확인 필요 |
고급 기능
- Z축 자동 포커싱 기능 (3축 스캐너): 곡면 또는 높이 변화가 있는 대상에 대해 자동 포커스 조정
- 이미지 얼라인먼트: 비전 시스템과 연동해 위치 보정 가능
- 에너지 보정 알고리즘: 속도 변화에 따른 조사량 자동 보정
갈보스캐너
레이저 스캐너는 XY 광학 스캐닝 헤드, 전자 구동 증폭기 및 광학 반사 렌즈로 구성된 Laser Galvanometer라고도합니다. 컴퓨터 제어기에 의해 발생된 신호는 증폭 회로를 거쳐 광학 스캐닝 헤드를 구동시켜 X-Y 평면에서의 레이저 빔의 편향을 제어합니다. 광학 스캐닝의 파형은 벡터 스캐닝의 일종이며 시스템의 스캐닝 속도는 레이저로 가공되는 그래픽의 안정성을 결정합니다. 최근에는 고속 스캐너를 개발하여 초당 45,000 도트의 속도로 스캔하므로 더욱 섬세한 가공 해상도를 구현할 수 있습니다.
스캐닝 원리 : 스캐닝 패턴은 2 차원 패턴이므로, x-y 두 모터 제어로 한 점의 위치가 결정하는 순간, 다른 점에서 점의 위치의 스캐닝 주파수 제어를 통해 전체 스캔 패턴의 변환을 달성하기 위해 스캔 주파수 (속도)가 더 명확한 플래시 패턴을 이해하고 필름의 원리를 이해할 수 있습니다.
파이버와 스캐닝 헤드의 연동
파이버를 통해 공급된 레이저는 스캐닝 헤드 내부에서 빔 쉐이핑 및 이동 제어를 거쳐 공정 표면에 정확하게 전달됩니다. 이때 다음 요소들의 정합성이 전체 공정 성능에 직접적인 영향을 줍니다.
상호 작용 항목 | 의미 | 주의사항 |
NA 매칭 | 파이버와 렌즈의 수렴각 조화 | 빔 왜곡 및 조사 밀도 불균형 방지 |
빔 중심 정렬 | 파이버와 갈바노 시스템의 정렬 정확도 | 오프셋 발생 시 패턴 왜곡 유발 |
포커스 심도(Focus Depth) | 렌즈-기판 거리 오차 허용 범위 | ±100 μm 이내 유지 권장 |
열 안정성 | 고속 연속 스캔 시 발열 제어 | 쿨링 시스템 적정 운용 필수 |
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