[쿠키과학] '반도체·이차전지 경쟁력 강화'… 기계연, 레이저가공기 성능평가 기반 구축

레이저광원·광학모듈 모니터링 테스트베드 3종 개발
국산 레이저·렌즈 168시간 연속 성능평가 성공
가혹한 실제 공정 환경 완벽 구현

승인 2026-04-09 10:02:51

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한국기계연구원 자율제조연구소 광응용장비연구실 최지연 책임연구원. 한국기계연구원

우리나라 주력 제조업의 핵심 장비인 반도체·자동차·이차전지 분야 레이저 가공기를 해외 제품과 동등한 기준으로 평가할 수 있는 기반이 마련됐다.

한국기계연구원(이하 기계연) 자율제조연구소 광응용장비연구실 최지연 박사팀은 레이저 광원과 광학 모듈을 실시간으로 모니터링하고 광학 코팅 내구성까지 평가할 수 있는 테스트베드 3종을 개발했다.

또 이를 활용해 국산 레이저와 렌즈의 168시간 연속 성능평가도 성공했다.

연구원이 구축한 시스템은 온습도 변화에 따른 레이저 출력 변화를 실시간 기록하는 테스트베드, 열렌즈 효과로 인한 초점 위치 오차를 측정하는 테스트베드, 광학 코팅의 레이저 유도 손상 임계값(LIDT)을 평가하는 테스트베드 등 3종이다.

레이저 가공 공정 중 불량은 대부분 출력 변동이나 초점 위치 변화에서 발생한다.

그러나 기존 광학 부품 성능 데이터는 실험실 환경에서 단기간 측정된 것이 대부분으로, 실제 가공 현장의 가혹한 조건을 충분히 반영하지 못한다는 한계가 있었다.

연구팀은 실제 가공 환경보다 더 가혹한 조건에서 장시간 연속 평가가 가능하도록 시스템을 설계했다.

주요 광학 마운트에 수랭식 냉각 구조와 온도센서를 적용해 고출력 레이저를 장시간 조사해도 시스템 온도 상승 없이 안정적인 성능을 유지하도록 했다.

변위 센서도 탑재해 외부 진동으로 인한 초점 빔 위치 왜곡까지 잡아냈다.

LIDT 시스템은 나노초 펄스 레이저와 연속발진 레이저를 모두 지원해 다양한 고출력 레이저용 광학 부품 평가에 활용할 수 있다.

연구팀은 이 시스템을 국산 1kW급 광섬유 레이저와 에프세타(F-Theta) 렌즈에 적용해 168시간 연속 시험을 진행한 결과 출력과 초점을 안정적으로 유지하는 것을 확인했다.

특히 렌즈 소재와 공정을 개선한 국내 한 광학업체는 1kW 레이저를 7일 연속 조사하는 조건에서 해외 제품보다 초점 위치 오차가 작은 에프세타 렌즈를 개발하는 데 성공했다.

열렌즈 효과에 의해 변이되는 에프세타렌즈의 초점 빔 직경 변화를 7일 연속 측정한 변이량 측정값. 한국기계연구원

이번 성과는 이차전지 제조용 레이저 용접기부터 반도체, 디스플레이 공정까지 저굥할 수 있고 ,특히 레이저 출력 변동과 초점 위치 변화량을 장비 선정 단계에서 사전에 예측할 수 있어 공정 안정성 확보와 생산 수율 향상에 기여할 전망이다.

최 박사는 "레이저 가공기는 반도체, 자동차, 이차전지 등 핵심 산업의 기반 장비지만 외산 의존도가 높아 객관적 성능 검증이 어려웠다"며 "이번 기술로 ISO 기준 기반 검증과 맞춤형 장시간 평가가 가능해져 실사용 환경에서 신뢰성 있는 성능 데이터를 확보하고 국산 장비 경쟁력 강화에 기여할 것"이라고 말했다.