레이저 출력 안정성 평가를 위한 온습도 챔버
국내 연구진이 고출력 레이저 광원과 핵심 광학 부품의 성능을 장시간 실시간으로 모니터링하고 검증할 수 있는 테스트베드를 국내 최초로 개발했다. 이로써 그동안 외산 제품에 의존하며 객관적 성능 데이터 확보에 어려움을 겪던 국산 레이저 장비와 광학 렌즈의 글로벌 경쟁력이 한층 강화될 전망이다.
한국기계연구원(이하 기계연)은 자율제조연구소 광응용장비연구실 최지연 책임연구원 연구팀이 레이저 가공기의 핵심 부품인 고출력 레이저 광원과 광학 렌즈의 상태를 실시간 모니터링하는 테스트베드 2종과 광학 코팅 강도를 측정하는 테스트베드 1종 등 총 3종의 평가 시스템을 개발했다고 밝혔다.
한국기계연구원 자율제조연구소 광응용장비연구실 최지연 책임연구원
레이저 가공 시 발생하는 불량은 주로 장시간 사용에 따른 레이저 출력 변화나 광학 렌즈의 성능 저하에서 비롯된다. 연구팀이 개발한 시스템은 실제 산업 현장의 가혹한 조건을 반영해 ▲온습도 환경 변화에 따른 고출력 레이저 출력 변화 실시간 기록 ▲광학 렌즈의 열렌즈 효과로 인한 초점 위치 오차 정밀 측정 ▲광학 코팅의 레이저 유도 손상 임계값(LIDT) 측정 등의 핵심 기능을 수행한다.
특히 연구팀은 고출력 레이저 조사 시 발생하는 열을 제어하기 위해 수랭식 냉각 구조와 온도 센서를 적용했으며, 외부 진동에 의한 빔 위치 왜곡을 감지하는 변위 센서를 통해 측정 정밀도를 극대화했다.
이번 테스트베드의 신뢰성은 실제 검증 과정을 통해 증명됐다. 연구팀은 국산 1kW 광섬유 레이저와 에프세타(F-Theta) 렌즈를 대상으로 7일 연속 성능 평가를 진행한 결과, 안정적인 작동 특성을 확인하는 데 성공했다.
열렌즈 효과에 의해 변이되는 에프세타렌즈의 초점 빔 직경 변화를 7일 연속 측정한 변이량 측정값
실제로 이 테스트베드를 활용해 공정을 개선한 국내 한 광학업체는 1kW 레이저에 7일간 노출되는 조건에서도 해외 유명 제품보다 초점 위치 오차가 작은 에프세타 렌즈를 개발하는 성과를 거두기도 했다.
최지연 기계연 책임연구원은 “반도체, 자동차, 이차전지 등 국내 주력 산업에서 레이저 가공기는 핵심 장비지만, 그동안 객관적인 성능 데이터 부족으로 외산 제품과의 경쟁에서 어려움이 많았다”며 “이번 테스트베드 개발로 ISO 표준 기반의 장시간 맞춤형 평가가 가능해져 국산 장비의 신뢰성을 높이고 시장 점유율을 확대하는 데 크게 기여할 것”이라고 말했다.
한편, 이번 연구는 산업통상부 제조장비산업 전주기기술개발사업인 ‘레이저 가공기 및 핵심 부품의 신뢰성 향상 기술 개발’ 과제의 지원을 받아 수행되었다.
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