Component : Beam Shaping
산업용 레이저 가공 품질을 좌우하는 핵심 기술, 빔 성형(Beam Shaping)을 소개합니다. 가우시안, 플랫탑, DOE 기반 빔 프로파일의 차이와 적용 사례를 확인해 보세요.
Apr 07, 2025
산업용 레이저 가공에서 ‘빔 성형(Beam Shaping)’이 중요한 이유와 기술적 이해
정밀도와 생산성을 동시에 확보하려면, 레이저 빔의 '형태'까지 제어해야 합니다. 오늘날 산업용 레이저 가공이 고속화되고 정밀도가 향상되면서, 단순히 출력(Power)이나 파장(Wavelength)만이 아닌 레이저 빔의 ‘에너지 분포(Beam Profile)’와 ‘형상’ 자체를 제어하는 기술, 즉 ‘빔 성형(Beam Shaping)’ 기술이 가공 품질을 좌우하는 핵심 요소로 부각되고 있습니다.
빔 성형이 필요한 이유: 가공 품질과 효율을 좌우하는 핵심
예를 들어, 레이저 절단 공정에서는 강력한 집중 에너지가 필요하므로 가우시안 빔(Gaussian beam)을 그대로 사용하는 것이 유리할 수 있습니다. 하지만 레이저 마킹이나 표면 어닐링 같은 공정에서는 일정한 강도의 빔이 전체 면적에 걸쳐 균일하게 분포되어야 합니다. 이때는 ‘플랫탑(Flat-top) 빔’이 훨씬 효과적입니다.
또한, 배터리 용접이나 반도체 웨이퍼 어닐링과 같은 고정밀 가공에서는 에너지가 너무 집중되지 않도록 빔의 에너지 분포를 넓게 퍼뜨려야 하므로 특수한 성형이 필요합니다. 결과적으로 빔의 모양은 가공 목적에 따라 달라져야 하며, 이를 구현하는 것이 바로 빔 성형 장치입니다.
적용 분야 | 사용 빔 형태 | 설명 |
디스플레이 유리 어닐링 | 라인(Line) 빔 | 넓은 면적을 한 번에 가공 |
배터리 탭 용접 | 플랫탑, 멀티 스팟 | 균일한 용접선과 빠른 처리 |
PCB 마킹 | 타원형 빔 | 좁고 정밀한 가공 실현 |
반도체 웨이퍼 패터닝 | DOE 기반 링/격자 빔 | 높은 반복 정밀도 요구 |
- 에너지 분포의 균일화 (Flat-Top Beam)
- 일정한 깊이와 품질의 용접을 위해 필요한 균일한 출력 분포를 생성
- 특히 박막 필름 가공이나 정밀 마킹에 효과적
- 빔 프로파일의 변형 (Line, Rectangle, Elliptical 등)
- 예를 들어, 넓은 영역을 빠르게 처리해야 하는 디스플레이 유리의 레이저 어닐링에는 긴 라인 빔이 요구됨
- 마이크로 가공에서는 좁고 집약적인 타원형 빔이 더 유리할 수 있음
- 다중 빔 분할 (Multi-Spot)
- 생산 속도를 높이기 위해 하나의 레이저 빔을 여러 개의 동일한 스팟으로 나누는 방식
- 배터리 탭 용접, PCB 홀 가공 등에 활용
대표적인 빔 성형 방식과 그 특성
- 광학 렌즈 기반 성형 (Refractive Beam Shaping)
- 렌즈 조합을 통해 가우시안 빔을 플랫탑으로 변환
- 레이저 마킹, 디스플레이 패널 가공 등 정밀 표면 처리에 적합
- 고출력 대응 가능, 광손실 적고 구조 단순
볼록 렌즈, 복합 형상 렌즈 등을 조합하여 가우시안 빔을 플랫탑으로 변환합니다. 레이저 마킹, 디스플레이 패널 표면 가공 등에 많이 활용됩니다. 정밀 설계가 필요하지만 에너지 손실이 적고 구조가 단순합니다.
- 회절 광학 요소(DOE, Diffractive Optical Elements)
- 미세한 회절 패턴으로 링, 격자, 라인 형태의 빔 생성
- 반도체 리소그래피, 마이크로 어레이 제작 등에 필수
- 높은 설계 자유도 / 파장 의존성 있음
빛의 회절 특성을 이용해 복잡한 에너지 패턴(예: 링 모양, 선 모양, 격자)을 만들어냅니다. 반도체 리소그래피, 마이크로 어레이 제작 등에 필수적인 기술입니다.
- 광섬유 빔 성형 (Fiber-based Beam Shaping)
- 특수 파이버 구조로 빔 분산 또는 재집속 가능
- 고출력 레이저, 플렉시블 설계 필요 시스템에 적합
다중 모드 파이버 또는 특수 구조의 파이버를 이용해 빔을 리포커싱하거나 균일하게 분산시킵니다. 플렉시블한 설계가 가능하며, 고출력 레이저에도 적합합니다.
- 광학 인터그레이터 (Beam Homogenizer)
- 미러 어레이, 다면체 프리즘으로 빔 강도를 평균화
- OLED, 박막 코팅 마킹 등 대면적 균일 가공에 사용
다면체 프리즘 또는 미러 어레이를 사용하여 빔의 강도를 평균화합니다. 고정밀 박막 증착이나 OLED 박막 마킹에서 사용됩니다.
시스템 설계 시 고려해야 할 핵심 파라미터
레이저 빔 성형 시스템을 구성할 때는 다음과 같은 파라미터 간의 상호 작용을 이해하고 조정해야 합니다.
1. Beam Diameter (빔 직경)
정의: 레이저 빔의 단면 크기를 말하며, 일반적으로 1/e² 지점에서의 직경을 사용합니다.
설계 시 적용 방식:
빔 성형 장치의 입력 파라미터로서, 초기 빔의 크기가 플랫탑 변환 효율이나 렌즈 설계에 큰 영향을 미칩니다. 너무 작은 빔은 광학 성형 시 불안정하고, 너무 크면 렌즈의 개구율(aperture)을 초과할 수 있어 주의가 필요합니다.
주의할 점:
- 성형 후 빔 크기를 얼마나 확대/축소할 것인지 목표에 따라 설정
- 빔 직경이 너무 작으면 높은 에너지 밀도로 인해 부작용 발생 가능
용례:
- 반도체 박막 마킹: 균일한 대면적 성형을 위해 입력 빔 직경 6~10mm 사용
- 리튬 배터리 탭 용접: 좁은 용접선 구현을 위해 1~3mm 직경의 빔 사용
2. Divergence (발산각)
정의: 레이저 빔이 전파하면서 퍼지는 각도를 의미하며, radian 또는 mrad 단위로 표현됩니다.
설계 시 적용 방식:
발산각이 작을수록 빔은 멀리까지 퍼지지 않고 집속되며, 높은 정밀도를 요구하는 용접 등에 적합합니다. 반대로 발산각이 크면 짧은 거리에서 넓은 영역을 커버할 수 있어 표면 처리에 유리합니다.
주의할 점:
- 발산각이 크면 Working Distance에서 빔 프로파일이 급변
- 시스템 정렬이 까다로워질 수 있음
용례:
- 레이저 드릴링: 발산각 0.5~1mrad 수준의 콜리메이티드 빔 사용
- OLED 어닐링: 발산각 5~10mrad 수준으로 플랫탑 균일화 설계
3. Working Distance (작업 거리)
정의: 성형된 빔이 최적의 크기와 에너지 분포를 형성하는 거리로, 렌즈에서 초점까지의 거리입니다.
설계 시 적용 방식:
작업 거리(WD)는 시스템의 기계 설계 및 자동화 범위에 직접적인 영향을 줍니다. 장비가 설치될 환경이나 가공 대상의 크기에 따라 WD를 설정하며, DOF(Depth of Focus)와 연계해서 고려해야 합니다.
주의할 점:
- WD가 너무 짧으면 공작물과의 충돌 위험 증가
- WD가 너무 길면 에너지 밀도 감소, 빔 품질 저하
용례:
- 자동차 부품 용접: 150mm의 고정 WD 설계
- 디스플레이 패널 마킹: 250mm 이상의 WD로 안정적인 마킹 구현
4. Focal Length (초점 거리)
정의: 렌즈 또는 광학계에서 평행광이 한 점에 모이는 거리로, 빔이 가장 좁게 수렴되는 위치를 결정합니다.
설계 시 적용 방식:
초점 거리(F)는 빔의 수렴/발산 정도와 최종 빔 직경을 결정하며, F-number 및 DOF와 직접적인 관계가 있습니다. 일반적으로 긴 F는 넓은 빔, 짧은 F는 좁은 고집속 빔을 의미합니다.
주의할 점:
- 짧은 초점 거리: 고정밀, 고에너지 밀도 가공에 유리
- 긴 초점 거리: 평탄한 마킹, 넓은 가공면 처리에 유리
용례:
- PCB 미세 패턴 마킹: F = 50mm
- 금속 시트 절단: F = 150mm~200mm
5. F-number (F#)
정의: 렌즈의 초점 거리(F)를 입사 빔의 유효 직경(D)으로 나눈 값.
F# = Focal Length / Beam Diameter
설계 시 적용 방식:
F#는 에너지 집중도와 빔 깊이를 동시에 판단할 수 있는 핵심 파라미터입니다. 낮은 F#은 고에너지 밀도, 짧은 DOF, 높은 해상도와 관련되며, 높은 F#은 넓은 영역 처리에 적합합니다.
주의할 점:
- F# < 2: 고집속, 얕은 DOF, 정밀 가공
- F# > 4: 넓은 면적 커버, 플랫탑 응용에 적합
용례:
- 리튬 배터리 탭 용접: F# = 1.8 ~ 2.5
- 박막 증착 균일화: F# = 6 이상
6. Numerical Aperture (NA)
정의: 광학 시스템이 수용할 수 있는 최대 입사각을 나타내며, 해상도와 에너지 밀도에 영향을 줌
NA = n × sin(θ)
(여기서 n은 매질의 굴절률, θ는 렌즈 개구각의 절반)
설계 시 적용 방식:
NA가 클수록 빔을 더 정밀하게 집중시킬 수 있으며, 고해상도 가공에 적합합니다. 그러나 NA가 클수록 DOF는 얕아져서, 포커스 정밀 제어가 필요해집니다.
주의할 점:
- 고 NA 시스템: 마이크로 구조 가공에 유리하지만 진동 민감도 증가
- 저 NA 시스템: 상대적으로 관용성이 높고 장거리 가공에 적합
용례:
- 광리소그래피: NA = 0.5~0.9
- 레이저 마킹 시스템: NA = 0.1~0.3
빔 성형 장치의 효과
앞으로의 빔 성형 기술은 AI 기반 실시간 제어, 가공 중 피드백 루프 통합, 적응형 광학 요소 등을 통해 공정 중 자동으로 최적 빔 형태를 조절하는 방향으로 발전하고 있습니다. 공정 중 센서가 가공 깊이나 열 분포를 실시간 감지해 모터나 SLM(Spatial Light Modulator)을 통해 즉각 빔을 재형성하는 기술이 연구되고 있습니다.
예를 들어, 최근에는 AI 기반 실시간 피드백 제어와 적응형 광학(Adaptive Optics) 기술이 결합되어, 공정 중에도 빔 프로파일을 동적으로 조절할 수 있는 시스템이 등장하고 있습니다.
실제 사례: Apollon ARTAO 시스템
프랑스의 Apollon 레이저 시설에서는 실시간 적응 광학 시스템인 ARTAO(Apollon Real-Time Adaptive Optics)를 개발하여 기존의 동적 수차 문제를 해결했습니다. 이 시스템은 천문학에서 영감을 받아, 905nm 파장의 레이저 다이오드를 파일럿 빔으로 사용하여 스펙트럼 분리를 통해 펄스 레이저의 제약을 극복했습니다. 또한, GPU 기반의 컨트롤러와 고속 샥-하트만 센서를 활용하여 실시간으로 빔의 왜곡을 보정함으로써, 반복률이 높은 레이저 시스템에서 발생하는 열적 효과와 샷 간 변동성을 효과적으로 관리할 수 있게 되었습니다.
- 실시간 센서 + GPU 기반 제어
- SLM(Spatial Light Modulator)을 이용한 빔 재형성
- 고출력 펄스 레이저에서의 수차 보정
- 반복 정밀도, 열 안정성 개선
이러한 최신 빔 성형 기술들은 기존의 레이저 시스템이 직면했던 여러 문제를 해결했습니다. 과거에는 고출력 레이저 시스템에서 실시간으로 빔의 수차를 보정하는 것이 어려웠으며, 이는 가공 품질의 일관성 저하와 긴 냉각 시간으로 이어졌습니다. 그러나 ARTAO와 같은 시스템의 도입으로 실시간 보정이 가능해져 가공의 정밀도와 효율성이 크게 향상되었습니다.
국내에서도 이러한 빔 성형 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 특히 반도체 및 디스플레이 산업에서의 미세 가공에 적용되어 생산성 향상에 기여하고 있습니다. 이러한 기술들은 레이저 가공의 품질을 높이고, 에너지 효율을 개선하며, 다양한 재료에 대한 가공 능력을 확대하는 데 중요한 역할을 하고 있습니다.
결론적으로, 최신 빔 성형 기술의 발전은 산업용 레이저 시스템의 성능을 크게 향상시키며, 기존의 문제점을 효과적으로 해결하고 있습니다. 앞으로도 이러한 기술의 지속적인 발전을 통해 다양한 산업 분야에서 레이저 가공의 적용 범위와 효율성이 더욱 확대될 것으로 기대됩니다.
1. 레이저 용접(Laser Welding)에서의 빔 성형
레이저 용접에서는 깊은 침투 깊이와 균일한 융합부 품질이 중요합니다. 기존의 가우시안 빔은 중심부에 에너지가 집중되어 용입이 지나치게 깊어지거나, 주변부에 열이 부족해 불균일한 용접이 발생할 수 있었습니다.
빔 성형 적용 사례:
- 링 모양의 도넛 빔(Doughnut Beam) 또는 멀티 스팟 빔(Multi-spot Beam)을 활용하면 에너지를 넓게 분산시켜, 융합부 전체에 걸쳐 열이 고르게 분포되어 기공(porosity) 발생을 억제하고, Crack-free 용접을 실현할 수 있습니다.
- 예: 전기차 배터리 팩 용접 시 멀티 서브빔 기술이 적용되어 셀 연결부의 안정성과 내구성이 향상됨.
2. 레이저 절단(Laser Cutting)에서의 빔 성형
절단 품질은 절단면의 매끄러움, 버(burr)의 최소화, 슬래그 발생 억제 등과 직결됩니다. 가우시안 빔은 절단 속도는 빠르지만, 절단면 품질이 들쭉날쭉하거나 버가 많이 발생할 수 있습니다.
빔 성형 적용 사례:
- 플랫탑 빔(Top-Hat Beam)을 사용하면 빔 중심과 가장자리의 에너지가 고르게 분포되어 절단 시 슬래그와 버를 줄이고, 균일한 절단 품질을 확보할 수 있습니다.
- 예: 고속 OLED 패널 절단에서 플랫탑 빔 적용으로 패널 균열 감소 및 생산성 20% 향상.
3. 레이저 마킹(Laser Marking)과 미세 가공(Micro-machining)
정밀 마킹이나 미세 패턴 가공은 초점 사이즈의 정밀 제어와 에너지 밀도의 균일성이 매우 중요합니다. 가우시안 빔은 중심부는 지나치게 태우고 주변부는 가공이 안 되는 문제가 발생하기 쉽습니다.
빔 성형 적용 사례:
- *정사각형 또는 선형 빔(Linear Beam)으로 성형하면 균일한 마킹 깊이와 폭을 구현할 수 있어, 반도체 패키지 마킹이나 FPCB 회로 가공에 효과적입니다.
- 예: 고해상도 QR 마킹에서 선명도 30% 향상, 미세 글리치 제거 실현.
4. 레이저 어닐링(Laser Annealing)과 열처리
레이저 어닐링은 금속 또는 반도체 재료에 열을 가해 구조를 변경하는 공정입니다. 열이 너무 집중되면 손상이 발생하고, 열이 부족하면 구조 변화가 미미합니다.
빔 성형 적용 사례:
- 슬릿 빔(Slit Beam) 또는 라인 빔(Line Beam)은 긴 직사각형 형태로 균일한 열 분포를 제공하여 반도체 박막 어닐링 시 균일한 결정화를 유도합니다.
- 예: 디스플레이 TFT 어닐링에 사용되어 온도 편차 3% 이내 유지, 결정립 불균일 감소.
항목 | 기존 가우시안 빔 사용 | 빔 성형 기술 적용 |
용접 품질 | 기공, 크랙 발생 가능 | 균일한 용접, 결함 감소 |
절단 품질 | 슬래그, 버 잦음 | 절단면 매끄럽고 슬래그 최소화 |
마킹 정밀도 | 중심부 과다 태움, 흐릿함 | 균일하고 선명한 마킹 |
열처리 효과 | 과열 또는 열 부족 | 정밀 제어로 안정적 어닐링 |
빔 성형 장치는 단순한 광학 부품이 아니라, 전체 레이저 가공 시스템의 품질을 좌우하는 전략적 요소입니다. 적용 분야에 따라 최적의 성형 방식을 선택하고, 관련 파라미터들을 정밀하게 설계함으로써 생산성과 품질을 동시에 확보할 수 있습니다. 가우시안(Gaussian)은 다양한 산업용 레이저 가공 솔루션에 적합한 빔 성형 기술을 제안하고 있으며, 고객의 어플리케이션에 맞춘 최적화를 지원합니다.
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