레이저를 이용한 Surface Modification(표면 개질)은 소재 표면의 물리적, 화학적, 기계적 특성을 원하는 방식으로 변화시키기 위한 비접촉 열 가공 기술입니다. 이 기술은 고속, 고정밀, 비소모성이라는 레이저의 특성을 활용하여 다양한 산업 분야에서 적용되고 있습니다. 특히 금속, 세라믹, 반도체, 고분자 재료 등 다양한 소재에 적용 가능하며, 마이크로부터 매크로 수준까지 정밀한 제어가 가능합니다.
분류 | 공정명 | 적용 산업 | 대표 사례 | 주요 목적 | 기술적 이점 및 기대 효과 |
🔥 건조/박막 처리형 | 레이저 드라이잉(Laser Drying) | 리튬이온 2차전지, 태양광 셀 제조 | - 전극 슬러리 건조- 태양전지 박막 건조 | - 수분 제거- 박막 수축 최소화 | - 균일한 건조로 품질 향상- 건식 공정으로 라인 단순화 |
🧪 재료 구조 조정형 | 레이저 어닐링(Laser Annealing) | LTPS 디스플레이, 3D-NAND 반도체, 전고체 전지 | - LTPS-TFT 제조- IGZO 전극 활성화- 고체 전해질 결정화 | - 결정화 유도- 전기적 활성화- 저온 박막 공정 | - 이동도 100배 향상- 고해상도/고속 동작 소자 구현- 열 손상 최소화 |
🧲 기계적 특성 향상형 | 레이저 하드닝(Laser Hardening) | 전기차 차체 부품, 모터 샤프트, 로봇 조인트 | - EV 강판 경화- 기어 표면 열처리 | - 국부 경화- 내마모/고경도 처리 | - 저변형 경화- 추가 가열 공정 불필요 |
🧱 기능성 코팅/복원형 | 레이저 클래딩(Laser Cladding) | 모빌리티 구동계, 항공 부품, 회전 부품 | - 감속기 기어- 베어링 하우징- 터빈 블레이드 | - 고성능 합금층 형성- 내마모성, 내식성, 내열성 확보 | - 부품 수명 3~5배 연장- 기계가공 최소화- 재생/복원 가능 |
🔍 미세 구조 가공형 | 레이저 텍스처링(Laser Texturing) | 태양전지, 바이오센서, 고체전해질계 인터페이스 | - 광흡수층 표면 조절- 전해질 계면 개질 | - 표면 구조 미세 조정- 계면 접촉 개선 | - 광변환 효율 향상- 계면 안정성 증가 |
레이저 드라이잉 (Laser Drying) – 건조/박막 처리형
레이저 드라이잉은 박막 소재를 열로 빠르게 건조시키는 비접촉식 열처리 공정입니다. 특히 리튬이온 전지 전극 제조나 태양광 셀의 박막 건조와 같은 응용 분야에서 유용합니다. 전통적인 오븐이나 IR 방식과 달리, 레이저는 국부적이고 짧은 시간 동안만 에너지를 전달하므로 열 손상은 줄이고, 건조 시간은 획기적으로 단축시킬 수 있습니다.
예를 들어 전지 전극에 도포된 슬러리는 건조 과정에서 균일하게 수분을 제거하지 못하면 갈라짐(crack)이나 수축 문제가 발생할 수 있습니다. 이때 레이저는 빠르고 균일한 에너지 전달로 재료의 미세구조 변화를 최소화하여 전극의 수율과 신뢰성을 높이는 데 기여합니다. 또한, 드라이룸과 같은 고비용 인프라 의존도를 줄일 수 있어 설비 투자 비용 절감에도 효과적입니다.
레이저 어닐링 (Laser Annealing) – 재료 구조 조정형
레이저 어닐링은 박막 반도체, 금속, 산화물 등의 비정질 또는 다결정 구조를 재결정화하거나 전기적으로 활성화하기 위한 공정입니다. 가장 대표적인 사례는 LTPS(저온 다결정 실리콘) 디스플레이 제조에서 사용되는 엑시머 레이저 어닐링입니다. 이 공정을 통해 amorphous-Si 박막을 고이동도의 다결정 구조로 바꿔, 고해상도 OLED/AM-LCD 구동이 가능한 TFT를 제조할 수 있습니다.
또한 3D-NAND 반도체에서는 게이트 구조의 정밀 패턴을 유지하면서 저온에서 활성화를 유도해야 하는데, 이때도 레이저 어닐링은 유리기판이나 유연한 기판에 열 손상 없이 고정밀 가공을 가능하게 합니다. 최근에는 전고체 배터리의 고체 전해질층에도 적용되어, 이온 전도도를 향상시키는 역할을 하고 있습니다. 비열균형(Non-equilibrium) 공정 특성 덕분에 기존의 열처리보다 훨씬 짧은 시간에 뛰어난 재료 특성을 확보할 수 있습니다.
레이저 하드닝 (Laser Hardening) – 기계적 특성 향상형
레이저 하드닝은 금속 표면을 고온으로 빠르게 가열하여 표면을 마텐사이트 구조로 변태시켜 경화를 유도하는 공정입니다. 전통적인 유도가열 방식보다 국부적으로 제어된 열원을 사용하므로, 변형이 적고 정밀 부품에도 적합합니다.
예컨대 전기차 구동부의 모터 샤프트나 차체 부품의 기어 등에 적용하면, 마모에 취약한 표면에 **높은 경도(60~65 HRC 이상)**를 부여할 수 있습니다. 이와 동시에 기저부는 연성을 유지하므로 피로 파괴 저항도 우수합니다. 최근에는 산업용 로봇, 자동화 장비의 회전부와 같은 정밀 기계 요소에도 광범위하게 적용되고 있습니다.
레이저 하드닝의 장점은 고온 열처리에 따른 산화, 변형, 정밀도 저하가 거의 없으며, 복잡한 형상의 부품도 로봇 기반의 3축 또는 5축 가공으로 대응이 가능하다는 점입니다.
레이저 클래딩 (Laser Cladding) – 기능성 코팅/복원형
레이저 클래딩은 기판 표면에 분말 또는 와이어 형태의 재료를 공급하고, 레이저로 용융시켜 고성능의 합금층 또는 세라믹층을 형성하는 기술입니다. 특히 고속 회전하거나 마모가 극심한 EV용 감속기 기어, 회전 샤프트, 항공기 베어링 하우징 등 모빌리티 구동계 부품에서 각광받고 있습니다.
기존의 용사(Spray Coating)나 용접 방식은 기판과 코팅재 간의 밀착력이나 금속 조직에 한계가 있지만, 레이저 클래딩은 금속간 융착(Bonding)이 뛰어나고, 열영향부(HAZ)가 작아 소재 특성 유지에 탁월합니다. 실제로 내마모성 및 내식성이 향상된 클래딩 층은 원래 소재보다 기계적 수명이 3~5배 이상 향상되며, 부품 교체 주기를 줄여 총 소유 비용(TCO) 감소에 기여합니다.
또한, 부품 재생(repair) 용도로도 활용되며 고가 소재의 스크랩을 줄일 수 있는 친환경 제조 기술로 평가받고 있습니다.
레이저 텍스처링 (Laser Texturing) – 미세 구조 가공형
레이저 텍스처링은 소재 표면에 수 μm 단위의 마이크로/나노 구조를 정밀하게 형성하는 공정입니다. 특히 태양전지와 같은 광변환 장치에서는 빛의 반사를 억제하고 흡수율을 극대화하는 데 사용됩니다. 실리콘 태양전지 표면에 피라미드 형태의 텍스처를 형성해, 빛이 여러 번 반사되도록 유도하면 광변환 효율이 최대 30%까지 향상될 수 있습니다.
또한 전고체 배터리에서는 고체 전해질과 전극 계면의 접촉 저항을 줄이기 위한 인터페이스 구조 제어에도 사용됩니다. 레이저로 표면을 미세하게 조정하면, 이온 전도도와 계면 안정성을 크게 개선할 수 있습니다. 나노임프린트나 화학식각 대비 레이저 텍스처링은 비마스크형이며, 고속/비접촉식으로 공정 단순화에 유리합니다.
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