기계硏, 레이저 용접기용 고출력 레이저 광원·광학 렌즈의 7일 연속 성능 평가 실증

고출력 레이저 광원과 광학 모듈의 성능을 실시간으로 모니터링하고 광학 코팅의 강도까지 평가할 수 있는 테스트베드 3종이 국내 최초로 개발되어 국산 레이저와 광학 렌즈의 7일 연속 성능 평가에 성공했다. 이번 테스트베드 개발로 국내 레이저 장비와 광학 부품의 성능을 해외 제품과 동등한 기준으로 검증할 수 있는 기반을 갖췄다.

한국기계연구원(원장 류석현) 자율제조연구소 광응용장비연구실 최지연 책임연구원 연구팀은 레이저 가공기의 핵심 부품인 고출력 레이저 광원과 광학 렌즈의 작동 상태를 실시간으로 모니터링하는 테스트베드 2종과 광학 코팅 강도를 측정하는 테스트베드 1종을 개발했다.

기계연구원 연구팀이 개발한 평가 시스템은 온습도 환경 변화에 따른 고출력 레이저 출력 변화를 실시간으로 기록하는 테스트베드와, 광학 렌즈의 열렌즈 효과로 인한 초점 위치 오차를 측정하는 테스트베드, 그리고 광학 코팅의 레이저 유도 손상 임계값(LIDT)을 측정하는 테스트베드로 구성된다. 고출력 레이저의 이상 작동 시 자동으로 장비를 정지시키는 기능을 적용해 장시간 모니터링 환경에서도 안전한 운용이 가능하도록 했다. 이 시스템을 국산 1kW 광섬유 레이저와 에프세타(F-Theta) 렌즈에 적용해 7일 연속 성능 평가를 통해 안정적인 작동 특성을 확인했다.

레이저 가공 제품의 불량은 레이저 광원과 광학 렌즈의 동작 특성 변화나 장시간 사용에 따른 성능 저하로 발생하는 경우가 많다. 그러나 기존 광학 부품 성능 데이터는 대부분 실험실 환경에서 단기간 측정된 결과로 실제 가공 환경을 충분히 반영하지 못한다는 한계가 있었다. 이에 실제 가공 환경보다 가혹한 조건에서 레이저와 광학 부품의 성능을 장시간 평가할 수 있도록 테스트베드를 설계했다.

연구팀은 주요 광학 마운트에는 수랭식 냉각 구조와 온도 센서를 적용해 장시간 고출력 레이저 조사에도 시스템 온도 상승 없이 안정적인 성능을 유지하도록 했다. 또한 외부 진동으로 인한 레이저 초점 빔 위치 왜곡을 감지하기 위해 변위 센서를 적용해 측정 정밀도를 높였다. LIDT 시스템은 나노초 펄스 레이저뿐 아니라 연속발진 레이저 기반 평가도 가능해 고출력 레이저용 광학 부품 평가에도 활용할 수 있다.

개발된 테스트베드는 국내 기업의 제품 개선에도 활용되고 있다. 기계연구원의 해당 테스트베드를 활용해 렌즈 소재와 생산 공정을 개선한 한 국내 광학업체는 1kW 레이저를 7일 연속 노출되는 조건에서도 해외 제품보다 작은 초점 위치 오차를 보이는 에프세타 렌즈를 개발했다. 이는 장시간 고출력 레이저 용접 공정에서도 안정적인 초점 위치 유지가 가능함을 보여준다.

기계연구원 광응용장비연구실 최지연 책임연구원은 “레이저 가공기는 반도체, 자동차, 이차전지 등 국내 주력 제조 산업의 핵심 장비지만 외산 중심 시장 구조로 인해 국내 업체들이 객관적인 성능 평가 데이터를 확보하기 어려웠다”며 “이번 테스트베드 개발로 7일 연속 평가를 포함해 ISO 표준 기반 검증은 물론 고객 요구에 따른 장시간 맞춤형 평가도 가능해져, 실사용 환경에서 신뢰성 있는 성능 데이터를 확보하고 국산 장비 경쟁력을 높이는 데 기여할 것으로 기대한다”고 밝혔다.

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