▲ 기계연 최지연 책임연구원이 에프세타렌즈의 변이량 측정값에 대해 설명하고 있다.

한국기계연구원(원장 류석현)이 고출력 레이저 가공 핵심 부품의 장시간 신뢰성 평가 체계를 확보하며 국산 장비의 글로벌 경쟁력 제고와 산업 적용 확대 기반을 마련했다.

한국기계연구원(이하 기계연) 은 자율제조연구소 광응용장비연구실 최지연 책임연구원 연구팀이 고출력 레이저 광원과 광학 모듈의 성능을 실시간으로 모니터링하고 광학 코팅 강도를 평가할 수 있는 테스트베드 3종을 국내 최초로 개발했다고 9일 밝혔다.

이번에 개발된 시스템은 △온·습도 변화에 따른 레이저 출력 변화를 실시간 기록하는 테스트베드 △광학 렌즈 열렌즈 효과로 인한 초점 위치 오차를 측정하는 테스트베드 △광학 코팅의 레이저 유도 손상 임계값(LIDT)을 평가하는 테스트베드로 구성된다.

특히 고출력 레이저 이상 작동 시 자동 정지 기능을 적용해 장시간 운용 환경에서도 안정성을 확보했으며, 국산 1kW급 광섬유 레이저와 F-Theta 렌즈에 적용해 7일(168시간) 연속 성능 평가를 통해 안정적인 작동 특성을 입증했다.

레이저 가공 공정에서 발생하는 불량은 광원 및 광학 부품의 성능 변화와 열화에 기인하는 경우가 많지만, 기존 성능 데이터는 단기·실험실 환경 중심으로 실제 공정 조건을 충분히 반영하지 못하는 한계가 있었다. 연구팀은 이를 보완하기 위해 실제보다 가혹한 조건에서 장시간 평가가 가능한 테스트 환경을 구축했다.

또한 주요 광학 마운트에는 수랭식 냉각 구조와 온도 센서를 적용해 고출력 조건에서도 온도 상승을 억제했으며, 변위 센서를 활용해 외부 진동에 따른 초점 위치 왜곡을 정밀하게 측정할 수 있도록 설계했다. LIDT 평가 시스템은 펄스 레이저뿐 아니라 연속 발진 레이저에도 적용 가능해 다양한 고출력 광학 부품 평가에 활용성을 높였다.

개발된 테스트베드는 국내 기업의 제품 개선에도 활용되고 있다. 이를 기반으로 렌즈 소재와 공정을 개선한 한 기업은 장시간 고출력 레이저 조사 환경에서도 초점 위치 안정성이 향상된 F-Theta 렌즈를 개발해 성능 경쟁력을 입증했다.

최지연 책임연구원은 “국내 레이저 가공 장비는 핵심 산업에서 활용도가 높지만 외산 중심 시장 구조로 인해 객관적인 성능 검증 데이터 확보에 어려움이 있었다”며 “이번 기술로 ISO 기반 검증과 장시간 맞춤형 평가가 가능해져 실사용 환경에서 신뢰성 있는 데이터 확보와 국산 장비 경쟁력 강화에 기여할 것”이라고 말했다.

한편 이번 연구는 산업통상자원부 제조장비산업 전주기기술개발사업 ‘레이저 가공기 및 핵심 부품의 신뢰성 향상 기술 개발’ 과제를 통해 수행됐다.