레이저 가열

왜 배우는가: 레이저 가열은 비접촉·국부 가열과 높은 전력 밀도를 이용해 미세 가공과 표면 처리에 쓰이며, 전기가열 방식 비교 문항에서 반복해 출제되는 개념이다. 재료별 흡수 특성을 이해하면 용접·절단·표면 개질의 조건 선택 근거를 설명할 수 있다.

출제 이력: 제124회 3교시 5번, 제118회 1교시 10번, 제113회 2교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

레이저 가열은 레이저 빔의 집속된 복사 에너지를 재료 표면에 흡수시켜 열로 바꾸는 비접촉 국부 가열 방식이다.

핵심 키워드

• 레이저 가열(Laser Heating)
• 전력 밀도(Power Density)
• 흡수율(Absorptivity)
• 열영향부(HAZ, Heat Affected Zone)
• 키홀(Keyhole)
• 연속파 레이저(CW Laser)와 펄스 레이저(Pulsed Laser)
• 재료 제거와 표면 개질

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 렌즈로 모은 빛을 재료에 쏘아 그 자리만 순식간에 달구는 방법이다. 전기로나 유도가열처럼 재료 내부 전류에 의존하지 않고, 빛이 재료 표면에 닿아 흡수되는 현상을 이용한다.

정식 정의는 다음과 같다. 레이저 가열은 유도 방출로 증폭된 단색성·간섭성 빛을 집속하여 재료 표면의 전력 밀도를 높이고, 흡수된 복사 에너지를 열에너지로 전환해 재료를 국부적으로 용융·증발·변태시키는 가열 방식이다.

흡수율은 입사한 레이저 에너지 중 재료가 실제로 흡수하는 비율이다. 흡수율은 빔 파장, 재료 표면 상태, 입사각, 온도에 따라 달라지며, 이 값이 가공 효율을 좌우한다. 금속은 실온에서 반사율이 높아 흡수율이 낮고, 온도가 올라가거나 표면이 산화·거칠어지면 흡수율이 급격히 커진다.

전력 밀도는 단위 면적당 입사 전력이다. 레이저 용접은 약 1 MW/cm² 수준의 높은 전력 밀도를 가져 작은 열영향부와 빠른 가열·냉각 속도를 만든다. 전력 밀도가 충분하면 재료는 용융을 넘어 증발하고, 증기압에 의해 키홀이 형성된다.

키홀은 고밀도 빔이 재료에 깊은 구멍을 뚫은 상태다. 키홀 내부에서 빛이 여러 번 반사되며 에너지가 거의 완전히 흡수되어 깊은 침투가 가능해진다.

열영향부(HAZ)는 용융되지 않았지만 열 사이클에 의해 조직과 성질이 변한 모재 영역이다. 레이저 가열은 스팟이 작고 가열 시간이 짧아 열영향부 폭이 좁다.

3. 등장 배경과 필요성

기존 전기가열과 용접은 가열 범위가 넓거나 전극 접촉이 필요했다. 아크 용접은 열 입력이 커서 얇은 판재나 열에 민감한 부품에서 변형이 크고, 전자빔 용접은 진공 설비가 필요했다.

레이저 가열은 대기 중에서 빔을 전송할 수 있고 비접촉으로 작업하므로 이런 제약을 줄인다. 로봇과 결합해 자동화가 쉬워졌고, 자동차 산업의 용접 라인에서 널리 쓰이게 되었다.

또한 레이저는 파장과 출력을 선택할 수 있어, 재료 특성에 맞춰 제거, 용접, 절단, 마킹, 담금질 같은 여러 공정을 한 장비 계열로 수행할 수 있다. 이 다목적성이 레이저 가열이 현대 생산 공정에 자리 잡은 배경이다.

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