적용분야

레이저 금속 증착(Laser Metal Deposition, LMD)은 금속 및 금속-세라믹 복합 소재를 사용해 복잡한 3차원 형상을 제작하거나 수정하는 데 활용되는 첨단 적층 제조 기술입니다. 이 공정에서는 레이저 빔이 금속 기판 위에 용융 풀을 형성하고, 노즐을 통해 금속 분말이 연속적으로 공급되어 용융 풀에 적층됩니다. 이 방식은 정밀도가 높고 소재 선택의 유연성이 뛰어나 수리 및 코팅 공정에도 널리 사용됩니다. 일반적으로 1064 nm에서 작동하는 고체 레이저가 사용되며, 경우에 따라 10.6 μm 파장의 CO₂ 레이저가 적용되기도 합니다.

레이저 금속 증착(LMD) 공정에서 온도 모니터링은 제조 품질과 공정 신뢰성을 향상시키는 데 핵심적인 요소입니다. 열 거동을 실시간으로 면밀히 추적함으로써 기공, 균열, 기하학적 변형과 같은 야금학적 결함을 유발하는 조건을 조기에 감지하고 완화할 수 있습니다. 또한 이러한 모니터링을 통해 레이저 출력, 주사 속도와 같은 공정 파라미터를 정밀하게 조정할 수 있으며, 이는 용융 풀의 온도에 직접적인 영향을 주어 최종 제품의 미세조직과 기계적 특성을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다.

또한 온도 모니터링은 다양한 증착 전략이 열 확산에 미치는 영향을 제어하는 데 도움을 주어, 보다 일관된 결과를 확보할 수 있게 합니다. 특히 체류 시간(dwell time)과 기타 공정 전략을 조정함으로써 잔류 응력과 변형을 평가하고 최소화하는 데 중요한 역할을 합니다. 온라인 제어를 위한 폐루프(closed-loop) 시스템 개발의 일환으로, 온도 모니터링은 필수적인 피드백을 제공하여 공정 성능을 향상시키고 결함을 줄이는 데 기여합니다. 더 나아가 냉각 속도와 열 구배와 같은 열적 특성과 부품의 기계적 물성 간의 관계를 보다 깊이 이해할 수 있게 합니다. 증착 결함을 조기에 감지함으로써 열 모니터링은 부품의 구조적 무결성을 보장하고, 제조 실패를 방지하며, 전반적인 생산 품질을 최적화합니다.

비접촉식 온도 측정에 사용되는 적외선 센서는 레이저의 높은 에너지 밀도와 그 반사광을 견딜 수 있어야 합니다. 일반적으로 레이저 금속 증착(LMD) 공정에서는 1064 nm에서 작동하는 고체 레이저 또는 10.6 μm 파장의 CO₂ 레이저가 사용됩니다. 반사광과 같은 극히 미미한 레이저 노출만으로도 적외선 카메라에 심각한 손상이 발생할 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 두 가지 전략을 적용할 수 있습니다. 하나는 레이저 파장과 충분히 떨어진 파장 대역에서 작동하는 카메라를 사용하는 것이고, 다른 하나는 특수 필터를 적용해 카메라를 보호하는 방법입니다. Optris는 이러한 과제를 해결하기 위해 PI 1M용 노치 필터(notch filter)와 LT 카메라용 롱패스 필터(long-pass filter)를 제공하고 있습니다.

PI 08M과 같은 적외선 이미저는 단일 지점의 온도만 측정하는 파이로미터와 달리, 공정 전반에 대한 종합적인 인사이트를 제공합니다. 정확한 열 분포를 기록하기 위해서는 카메라의 온도 측정 범위가 공정 온도와 잘 부합해야 합니다. 예를 들어 PI 05M은 900 °C부터 측정을 시작하기 때문에, 온도가 이 범위 아래로 떨어질 경우 레이저 조사 영역 주변의 제한된 범위에서만 열 분포 데이터를 확보할 수 있습니다. 따라서 이 적외선 카메라는 고온 영역에서 광범위한 열 분포를 관찰해야 하는 응용 분야에 가장 적합합니다. 반면 Optris의 PI 08M은 800 nm 파장에서 575 °C부터 측정을 시작하여, 열 분포를 최적으로 시각화할 수 있는 균형 잡힌 솔루션을 제공합니다.

방사율(emissivity)은 온도를 정확하게 측정하는 데 있어 매우 중요한 요소로, 여러 요인에 따라 달라지므로 적용 분야에 맞게 신중하게 조정되어야 합니다. 이론적으로 방사율은 소재의 물성, 표면 상태, 온도, 파장, 측정 각도, 그리고 측정 시 사용되는 구성 조건에 의해 영향을 받습니다. 비금속 표면은 일반적으로 서로 다른 파장 영역에서도 비교적 일정한 방사율을 유지하지만, 이상적인 흑체에 비해 방출되는 복사 에너지가 적어 회색체(gray body)로 분류됩니다. 반면 금속 표면은 온도와 파장에 따라 방사율이 변화하는 특성을 지니며, 이러한 이유로 선택적 방사체(selective radiator)라고 불립니다.

금속의 온도를 정확하게 측정하기 위해서는 일반적으로 단파장 영역에서의 측정이 권장됩니다. 이는 금속 표면이 높은 온도와 짧은 파장에서 가장 높은 복사 강도와 방사율을 나타내기 때문입니다. 또한 이러한 단파장 영역에서는 금속의 방사율 특성이 금속 산화물의 방사율과 보다 유사해져, 방사율 변화로 인한 온도 측정 오차를 최소화할 수 있습니다.

다만 이 접근 방식은 레이저와 소재 간의 상호작용을 반드시 고려해야 합니다. 키르히호프(Kirchhoff)의 열복사 법칙에 따르면 소재의 흡수율은 방사율과 동일하기 때문입니다. 레이저는 적외선 카메라에 비해 훨씬 좁은 대역폭으로 작동하지만, 고출력 레이저 광을 차단하고 적외선 카메라에 손상을 줄 수 있는 크로스토크(crosstalk)를 방지하기 위해 노치 필터(notch filter)의 사용이 필수적입니다.

Optris는 레이저 응용 분야에 특화된 적외선 카메라를 제공합니다. PI 적외선 이미저는 다양한 시스템에 쉽게 통합할 수 있으며, 아날로그 및 디지털 출력을 모두 지원합니다. 일부 장비 통합 환경에서는 Linux 기반 컴퓨터와 함께 PI 적외선 카메라를 사용하고, SDK를 활용해 맞춤형 소프트웨어를 개발함으로써 최적의 공정 제어와 다른 시스템과의 정밀한 동기화를 구현하고 있습니다.