1. 레이저 산업 개요
(1) 레이저 소개
레이저(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, 약칭 LASER)는 여기 피드백 공명 및 복사를 통해 좁은 주파수 대역의 빛을 증폭시켜 생성되는 평행하고 단색이며, 일관성 있고 방향성을 가진 광선입니다.
레이저 기술은 1960년대 초에 탄생했으며, 일반적인 빛과는 완전히 다른 성질 때문에 다양한 분야에 빠르게 활용되어 과학, 기술, 경제 및 사회의 발전과 변화에 지대한 영향을 미쳤습니다.
레이저의 탄생은 고대 광학의 지형을 극적으로 바꾸어 놓았으며, 고전 광학 물리학을 고전 광학과 현대 광자학을 아우르는 새로운 첨단 기술 분야로 확장시켜 인류 경제와 사회 발전에 대체 불가능한 공헌을 했습니다. 레이저 물리학 연구는 현대 광자 물리학의 두 주요 분야인 에너지 광자학과 정보 광자학의 발전에 크게 기여했습니다. 레이저 물리학은 비선형 광학, 양자 광학, 양자 컴퓨팅, 레이저 센싱 및 통신, 레이저 플라즈마 물리학, 레이저 화학, 레이저 생물학, 레이저 의학, 초정밀 레이저 분광학 및 계측, 레이저 냉각 및 보스-아인슈타인 응집물질 연구를 포함한 레이저 원자 물리학, 레이저 기능성 재료, 레이저 제조, 레이저 마이크로 광전자 칩 제작, 레이저 3D 프린팅 등 20개 이상의 국제적인 첨단 분야 및 기술 응용 분야를 포괄합니다. 레이저 과학기술학과(DSL)는 다음과 같은 분야에 설립되었습니다.
레이저 제조 산업은 세계가 '경량 제조' 시대로 진입했음을 보여주고 있습니다. 국제 레이저 산업 통계에 따르면, 미국의 연간 GDP 중 50%¹가 고성능 레이저 응용 분야의 급속한 시장 확장과 관련되어 있습니다. 미국, 독일, 일본을 비롯한 여러 선진국은 자동차, 항공 등 주요 제조 산업에서 기존 공정을 레이저 가공으로 대체하는 작업을 거의 완료했습니다. 산업 제조 분야에서 레이저는 기존 제조 방식으로는 달성할 수 없는 저비용, 고품질, 고효율의 특수 제조 응용 분야에서 큰 잠재력을 보여주며, 세계 주요 산업 국가들 간의 경쟁과 혁신을 이끄는 중요한 동력으로 자리 잡았습니다. 각국은 레이저 기술을 가장 중요한 첨단 기술 중 하나로 적극적으로 육성하고 있으며, 국가 차원의 레이저 산업 발전 계획을 수립하고 있습니다.
(2)원자 램프출처 P원칙
레이저는 여기된 복사선을 이용하여 가시광선 또는 비가시광선을 생성하는 장치로, 구조가 복잡하고 기술적 진입 장벽이 높습니다. 광학 시스템은 주로 펌프 광원(여기 광원), 이득 매질(작동 물질), 공진기 및 기타 광학 장치 재료로 구성됩니다. 이득 매질은 광자 생성원이며, 펌프 광원에서 생성된 에너지를 흡수하여 바닥 상태에서 여기 상태로 전이됩니다. 여기 상태는 불안정하기 때문에, 이득 매질은 이때 에너지를 방출하여 바닥 상태의 안정된 상태로 돌아갑니다. 이 에너지 방출 과정에서 이득 매질은 광자를 생성하며, 이 광자들은 에너지, 파장, 방향이 매우 균일합니다. 이 광자들은 광학 공진기 내에서 끊임없이 반사되고 왕복 운동을 하면서 지속적으로 증폭된 후, 반사기를 통해 레이저 빔을 형성하여 최종적으로 출력됩니다. 레이저는 단말 장비의 핵심 광학 시스템으로서, 레이저 장비의 출력 빔의 품질과 출력을 직접적으로 결정하는 핵심 부품입니다.
펌프 광원(여기 광원)은 이득 매질에 에너지를 공급합니다. 이득 매질은 여기되어 광자를 생성하고, 이 광자가 레이저를 발생 및 증폭합니다. 공진 공동은 공동 내 광자 진동을 제어하여 고품질 출력 광원을 얻기 위해 광자의 특성(주파수, 위상 및 동작 방향)을 조절하는 곳입니다. 펌프 광원(여기 광원)은 이득 매질에 에너지를 공급합니다. 이득 매질은 여기되어 광자를 생성하고, 이 광자가 레이저를 발생 및 증폭합니다. 공진 공동은 공동 내 광자 진동을 제어하여 고품질 출력 광원을 얻기 위해 광자의 특성(주파수, 위상 및 동작 방향)을 조정하는 곳입니다.
(3)레이저 광원의 분류
레이저 광원은 이득 매질, 출력 파장, 작동 모드 및 펌핑 모드에 따라 다음과 같이 분류할 수 있습니다.
① 이득 매체별 분류
이득 매체의 차이에 따라 레이저는 고체 레이저(고체, 반도체, 광섬유, 하이브리드 포함), 액체 레이저, 기체 레이저 등으로 나눌 수 있다.
| 원자 램프원천유형 | 게인 미디어 | 주요 특징 |
| 고체 레이저 광원 | 고체, 반도체, 광섬유, 하이브리드 | 뛰어난 안정성, 높은 출력, 낮은 유지보수 비용, 산업화에 적합 |
| 액체 레이저 소스 | 화학 액체 | 원하는 파장 범위까지 도달할 수 있지만, 크기가 크고 유지 보수 비용이 높습니다. |
| 가스 레이저 소스 | 가스 | 고품질 레이저 광원이지만 크기가 크고 유지 보수 비용이 더 많이 듭니다. |
| 자유 전자 레이저 소스 | 특정 자기장 내의 전자빔 | 초고출력 및 고품질 레이저 출력을 구현할 수 있지만, 제조 기술과 생산 비용이 매우 높습니다. |
고체 레이저는 뛰어난 안정성, 높은 출력, 낮은 유지보수 비용 덕분에 응용 분야에서 절대적인 우위를 점하고 있습니다.
고체 레이저 중에서도 반도체 레이저는 높은 효율, 소형화, 긴 수명, 낮은 에너지 소비 등의 장점을 가지고 있습니다. 이러한 장점 덕분에 레이저 가공, 의료, 통신, 센싱, 디스플레이, 모니터링 및 국방 분야에서 핵심 광원 및 지원 광원으로 직접 활용될 수 있으며, 전략적 발전 의미를 지닌 현대 레이저 기술 발전의 중요한 기반으로 자리매김하고 있습니다.
한편, 반도체 레이저는 고체 레이저나 광섬유 레이저와 같은 다른 레이저의 핵심 펌핑 광원으로도 사용될 수 있어 레이저 분야 전체의 기술 발전을 크게 촉진하고 있습니다. 전 세계 주요 선진국들이 국가 개발 계획에 반도체 레이저를 포함시켜 강력한 지원을 제공하고 있으며, 그 결과 빠른 속도로 발전하고 있습니다.
② 펌핑 방법에 따르면
레이저는 펌핑 방식에 따라 전기 펌핑 레이저, 광학 펌핑 레이저, 화학 펌핑 레이저 등으로 나눌 수 있다.
전기 펌핑 레이저는 전류에 의해 여기되는 레이저를 의미하며, 가스 레이저는 주로 가스 방전에 의해 여기되고, 반도체 레이저는 주로 전류 주입에 의해 여기됩니다.
거의 모든 고체 레이저와 액체 레이저는 광 펌프 레이저이며, 반도체 레이저는 광 펌프 레이저의 핵심 펌핑 소스로 사용됩니다.
화학 펌핑 레이저는 화학 반응에서 방출되는 에너지를 이용하여 작동 물질을 여기시키는 레이저를 말합니다.
③작동 모드에 따른 분류
레이저는 작동 방식에 따라 연속 레이저와 펄스 레이저로 나눌 수 있다.
연속 레이저는 각 에너지 레벨에서의 입자 수 분포와 공동 내 복사장이 안정적이며, 작동 특성상 작동 물질의 여기와 그에 따른 레이저 출력이 장시간에 걸쳐 연속적으로 발생합니다. 연속 레이저는 장시간 동안 레이저 광을 연속적으로 출력할 수 있지만, 열 효과가 더욱 두드러지게 나타납니다.
펄스 레이저는 레이저 출력이 특정 값으로 유지되는 시간 간격을 말하며, 레이저 광을 불연속적으로 출력합니다. 주요 특징은 열 효과가 적고 제어성이 우수하다는 것입니다.
④ 출력 파장에 따른 분류
레이저는 파장에 따라 적외선 레이저, 가시광선 레이저, 자외선 레이저, 심자외선 레이저 등으로 분류할 수 있습니다. 서로 다른 구조의 물질이 흡수할 수 있는 빛의 파장 범위는 다르기 때문에, 다양한 물질의 정밀 가공이나 각기 다른 응용 분야에는 서로 다른 파장의 레이저가 필요합니다.적외선 레이저와 자외선 레이저는 가장 널리 사용되는 두 가지 레이저입니다. 적외선 레이저는 주로 "열처리"에 사용되는데, 이는 재료 표면의 물질을 가열하여 기화시켜 제거하는 방식입니다. 박막 비금속 재료 가공, 반도체 웨이퍼 절단, 유기 유리 절단, 드릴링, 마킹 등의 분야에서 고에너지 자외선 광자는 비금속 재료 표면의 분자 결합을 직접 끊어 분자를 분리합니다. 이 방법은 고온의 열 반응을 발생시키지 않기 때문에 "냉간 가공"이라고도 합니다.
자외선 광자의 에너지가 매우 높기 때문에 외부 여기원을 이용하여 일정 수준의 고출력 연속 자외선 레이저를 발생시키는 것은 어렵습니다. 따라서 자외선 레이저는 일반적으로 결정 재료의 비선형 효과를 이용한 주파수 변환 방식을 통해 발생되며, 현재 산업 현장에서 널리 사용되는 자외선 레이저는 주로 고체 자외선 레이저입니다.
(4) 산업 사슬
산업 사슬의 상류는 반도체 원자재, 고급 장비 및 관련 생산 부속품을 사용하여 레이저 코어와 광전자 장치를 제조하는 것으로, 레이저 산업의 초석을 이루며 진입 장벽이 높습니다. 산업 사슬의 중류는 상류의 레이저 칩과 광전자 장치, 모듈, 광학 부품 등을 펌프 소스로 사용하여 직접 반도체 레이저, 이산화탄소 레이저, 고체 레이저, 광섬유 레이저 등 다양한 레이저를 제조 및 판매하는 것입니다. 하류 산업은 주로 산업 가공 장비, LIDAR, 광통신, 의료 미용 등 다양한 레이저 응용 분야를 포괄합니다.
①상류 공급업체
반도체 레이저 칩, 소자 및 모듈과 같은 상류 제품의 원자재는 주로 다양한 칩 소재, 광섬유 소재, 기판, 방열판, 화학물질 및 하우징 세트를 포함한 가공 부품으로 구성됩니다. 칩 가공에는 고품질 및 고성능의 상류 원자재가 필수적이며, 주로 해외 공급업체로부터 공급받고 있지만, 국산화율이 점차 증가하여 독립적인 생산 관리를 실현하고 있습니다. 주요 상류 원자재의 성능은 반도체 레이저 칩의 품질에 직접적인 영향을 미치므로, 다양한 칩 소재의 성능이 지속적으로 향상됨에 따라 산업 제품의 성능 향상에도 긍정적인 영향을 미치고 있습니다.
②중간류 산업 체인
반도체 레이저 칩은 산업 사슬 중간 단계에 있는 다양한 유형의 레이저의 핵심 펌프 광원으로서, 중간 단계 레이저 산업 발전을 촉진하는 데 중요한 역할을 합니다. 중간 단계 레이저 분야는 미국, 독일 등 해외 기업들이 주도해 왔지만, 최근 국내 레이저 산업의 급속한 발전으로 산업 사슬 중간 단계 시장에서 국내 기업들의 빠른 대체가 이루어지고 있습니다.
③산업 사슬 하류
하류 산업은 산업 발전을 촉진하는 데 중요한 역할을 하므로, 하류 산업의 발전은 산업 시장 규모에 직접적인 영향을 미칩니다. 중국 경제의 지속적인 성장과 경제 전환을 위한 전략적 기회의 출현은 이 산업의 발전을 위한 더 나은 환경을 조성했습니다. 중국은 제조업 국가에서 제조업 강국으로 발돋움하고 있으며, 하류 산업인 레이저 및 레이저 장비는 제조업 고도화의 핵심 요소 중 하나로, 이 산업의 장기적인 성장을 위한 좋은 수요 환경을 제공합니다. 반도체 레이저 칩 및 관련 기기의 성능 지표에 대한 하류 산업의 요구 사항이 증가하고 있으며, 국내 기업들은 저출력 레이저 시장에서 고출력 레이저 시장으로 점차 진출하고 있으므로, 이 산업은 기술 연구 개발 및 자체 혁신 분야에 대한 투자를 지속적으로 늘려야 합니다.
2. 반도체 레이저 산업 발전 현황
반도체 레이저는 모든 종류의 레이저 중에서 에너지 변환 효율이 가장 뛰어나 광섬유 레이저, 고체 레이저 및 기타 광 펌프 레이저의 핵심 펌프 소스로 사용될 수 있습니다. 또한, 반도체 레이저 기술은 출력 효율, 밝기, 수명, 다중 파장, 변조율 등 여러 측면에서 지속적인 발전을 거듭하여 재료 가공, 의료, 광통신, 광 센싱, 국방 등 다양한 분야에서 널리 활용되고 있습니다. 레이저 포커스 월드(Laser Focus World)에 따르면, 다이오드 레이저(반도체 레이저 및 비다이오드 레이저 포함)의 전 세계 총 매출은 2021년에 184억 8천만 달러에 달했으며, 이 중 반도체 레이저가 43%를 차지했습니다.
Laser Focus World에 따르면, 전 세계 반도체 레이저 시장은 2020년 67억 2,400만 달러 규모로 전년 대비 14.20% 성장했습니다. 세계적인 지능화 추세에 따라 스마트 기기, 가전제품, 신에너지 등 다양한 분야에서 레이저 수요가 증가하고 있으며, 의료, 미용 기기 등 신흥 응용 분야의 지속적인 확대로 반도체 레이저는 광 펌프 레이저의 펌프 소스로 활용될 수 있어 시장 규모가 꾸준히 성장할 것으로 예상됩니다. 2021년 전 세계 반도체 레이저 시장 규모는 79억 4,600만 달러에 달할 것으로 전망되며, 시장 성장률은 18.18%를 기록할 것으로 전망됩니다.
기술 전문가, 기업 및 실무자들의 공동 노력 덕분에 중국의 반도체 레이저 산업은 놀라운 발전을 이루었으며, 이를 통해 중국 반도체 레이저 산업은 기초부터 시작하여 원형을 구축해 왔습니다. 최근 몇 년 동안 중국은 레이저 산업 발전을 가속화하고 있으며, 정부의 주도와 레이저 기업들의 협력 하에 각 지역에서 과학 연구, 기술 향상, 시장 개발 및 레이저 산업 단지 건설에 전념하고 있습니다.
3. 중국 레이저 산업의 미래 발전 추세
유럽과 미국의 선진국과 비교했을 때 중국의 레이저 기술은 뒤처지지 않지만, 레이저 기술의 응용 및 첨단 핵심 기술 분야에서는 여전히 상당한 격차가 존재하며, 특히 상류의 반도체 레이저 칩 및 기타 핵심 부품은 여전히 수입에 의존하고 있습니다.
미국, 독일, 일본으로 대표되는 선진국들은 이미 일부 주요 산업 분야에서 전통적인 제조 기술의 대체를 기본적으로 완료하고 '경량 제조' 시대로 진입했습니다. 중국에서도 레이저 응용 분야의 발전은 빠르게 진행되고 있지만, 적용률은 아직 상대적으로 낮습니다. 산업 고도화의 핵심 기술인 레이저 산업은 앞으로도 국가 지원의 핵심 분야로 자리매김할 것이며, 지속적으로 적용 범위를 확대하여 궁극적으로 중국 제조업을 '경량 제조' 시대로 이끌 것입니다. 현재의 발전 상황을 고려할 때, 중국 레이저 산업의 발전 추세는 다음과 같습니다.
(1) 반도체 레이저 칩 및 기타 핵심 부품의 국산화가 점차 실현되고 있습니다.
광섬유 레이저를 예로 들면, 고출력 광섬유 레이저 펌프 소스는 반도체 레이저의 주요 응용 분야이며, 고출력 반도체 레이저 칩과 모듈은 광섬유 레이저의 중요한 구성 요소입니다. 최근 중국의 광섬유 레이저 산업은 급속한 성장세를 보이고 있으며, 국산화율 또한 해마다 높아지고 있습니다.
시장 침투율 측면에서 보면, 저출력 파이버 레이저 시장에서는 2019년 국내산 레이저의 시장 점유율이 99.01%에 달했습니다. 중출력 파이버 레이저 시장에서는 최근 몇 년간 국내산 레이저의 침투율이 50% 이상을 유지하고 있습니다. 고출력 파이버 레이저의 국내화 과정 또한 점진적으로 진전되어 2013년부터 2019년까지 "초기 단계"에서 55.56%의 침투율을 달성했으며, 2020년에는 57.58%에 이를 것으로 예상됩니다.
하지만 고출력 반도체 레이저 칩과 같은 핵심 부품은 여전히 수입에 의존하고 있으며, 반도체 레이저 칩을 핵심으로 하는 레이저의 상위 부품들은 점차 국산화되고 있습니다. 이는 한편으로는 국내 레이저 상위 부품의 시장 규모를 확대하고, 다른 한편으로는 상위 핵심 부품의 국산화를 통해 국내 레이저 제조업체의 국제 경쟁력을 향상시킬 수 있습니다.
(2) 레이저 응용 분야는 더 빠르고 넓게 침투합니다.
상류 핵심 광전자 부품의 점진적인 국산화와 레이저 응용 비용의 점진적인 감소에 따라 레이저는 다양한 산업 분야에 더욱 깊숙이 침투할 것입니다.
한편으로, 중국의 경우 레이저 가공은 중국 제조업 10대 핵심 응용 분야에 속하며, 향후 레이저 가공의 응용 분야와 시장 규모가 더욱 확대될 것으로 예상됩니다. 다른 한편으로, 자율주행, 첨단 주행 보조 시스템, 서비스 지향형 로봇, 3D 센싱 등의 기술이 지속적으로 보편화되고 발전함에 따라 자동차, 인공지능, 가전제품, 얼굴 인식, 광통신, 국방 연구 등 다양한 분야에서 레이저 가공 기술의 활용도가 높아질 것입니다. 이러한 레이저 응용 분야의 핵심 소자 또는 부품으로서 반도체 레이저는 빠르게 성장할 전망입니다.
(3) 더 높은 출력, 더 나은 빔 품질, 더 짧은 파장 및 더 빠른 주파수 방향 개발
산업용 레이저 분야에서 파이버 레이저는 도입 이후 출력, 빔 품질, 밝기 면에서 큰 발전을 이루었습니다. 그러나 더 높은 출력은 가공 속도를 향상시키고 가공 품질을 최적화하며, 자동차, 항공우주, 에너지, 기계, 야금, 철도 운송 건설, 과학 연구 등 중공업 분야의 절단, 용접, 표면 처리 등에 활용 범위를 넓힐 수 있습니다. 이에 따라 파이버 레이저에 대한 요구 출력은 지속적으로 증가하고 있습니다. 관련 장비 제조업체들은 고출력 반도체 레이저 칩 및 이득 파이버와 같은 핵심 장비의 성능을 지속적으로 개선해야 하며, 파이버 레이저 출력 증가는 빔 결합 및 출력 합성 등의 첨단 레이저 변조 기술을 필요로 합니다. 이는 고출력 반도체 레이저 칩 제조업체들에게 새로운 요구와 과제를 제시합니다. 또한, 단파장, 다파장, 고속(초고속) 레이저 개발 역시 중요한 발전 방향입니다. 주로 집적 회로 칩, 디스플레이, 가전제품, 항공우주 및 기타 정밀 미세 가공 분야뿐만 아니라 생명 과학, 의료, 센싱 등 다양한 분야에서 반도체 레이저 칩에 대한 새로운 요구가 제기되고 있습니다.
(4) 고출력 레이저 광전자 부품에 대한 수요는 추가적인 성장을 필요로 합니다.
고출력 광섬유 레이저의 개발 및 산업화는 펌프 소스, 아이솔레이터, 빔 집속기 등 핵심 광전자 부품의 지원을 필요로 하는 산업 사슬의 시너지 효과로 이루어진 결과입니다. 고출력 광섬유 레이저에 사용되는 광전자 부품은 개발 및 생산의 기반이자 핵심 부품이며, 고출력 광섬유 레이저 시장의 성장은 고출력 반도체 레이저 칩과 같은 핵심 부품에 대한 시장 수요를 견인하고 있습니다. 동시에 국내 광섬유 레이저 기술의 지속적인 발전으로 수입 대체는 불가피한 추세가 되었으며, 세계 레이저 시장 점유율은 계속해서 증가할 것으로 예상되어 국내 광전자 부품 제조업체들에게 큰 기회를 제공하고 있습니다.
게시 시간: 2023년 3월 7일
