레이저 가공기 광학계 오염 진단 및 확인 방법

레이저 가공기 광학계 오염과 성능 저하의 원인

레이저 가공 제품의 불량은 대부분 레이저 광원과 광학 렌즈의 동작 특성이 변하거나, 장시간 사용에 따라 성능이 떨어지면서 발생합니다. 렌즈에 열렌즈 효과가 생기면 초점 위치에 오차가 생기고, 광학 코팅은 고출력 레이저에 반복 노출되면서 손상 임계값에 가까워지기도 합니다.

문제는 이런 성능 저하를 미리 걸러내기가 쉽지 않았다는 점입니다. 기존 광학 부품 성능 데이터는 실험실 환경에서 짧은 시간 측정한 결과가 대부분이었습니다. 실제 공장에서는 온습도 변화, 외부 진동 같은 변수가 계속 더해지는데, 이런 조건을 충분히 반영하지 못한 것입니다. 그러다 보니 실사용 환경에서 오랜 시간 가동했을 때 나타나는 오염이나 성능 저하를 사전에 파악하기 어려웠고, 이는 곧 가공 불량으로 이어지는 원인이 되어 왔습니다.

실시간 모니터링을 통한 광학계 진단 테스트베드 개발

한국기계연구원 광응용장비연구실 최지연 책임연구원 연구팀은 테스트베드 3종을 개발했습니다. 크게 두 가지 기능으로 나눌 수 있습니다.

첫째는 실시간 모니터링입니다. 온습도 환경 변화에 따른 고출력 레이저 출력 변화를 실시간으로 기록하는 테스트베드, 그리고 광학 렌즈의 열렌즈 효과로 인한 초점 위치 오차를 측정하는 테스트베드가 여기에 해당합니다. 주요 광학 마운트에는 수랭식 냉각 구조와 온도 센서를 적용했습니다. 장시간 고출력 레이저를 쏘아도 시스템 온도가 오르지 않도록 한 것입니다. 외부 진동에 의한 빔 위치 왜곡을 잡아내기 위해 변위 센서도 붙였습니다.

둘째는 광학 코팅 강도 평가입니다. 레이저 유도 손상 임계값(LIDT)을 측정하는 테스트베드로, 나노초 펄스 레이저와 연속발진 레이저 양쪽 모두 평가가 가능합니다.

또한 이상 작동이 감지되면 장비를 자동으로 멈추는 안전 기능도 넣었습니다. 7일, 168시간에 걸친 연속 모니터링에서도 안전하게 운용할 수 있었던 배경입니다.

7일 연속 성능 검증으로 확인한 광학계 신뢰성

실험실에서 며칠 반짝 측정한 데이터로는 실제 가공 현장의 상황을 다 담아내기 어렵습니다. 그래서 연구팀은 국산 1kW 광섬유 레이저와 에프세타 렌즈를 대상으로 168시간, 즉 7일을 꼬박 채우는 연속 평가를 진행했습니다. 평가 항목과 결과를 정리하면 다음과 같습니다.

수랭식 냉각 구조와 변위 센서를 마운트에 적용해 온도 상승이나 진동에 따른 오차도 함께 잡아냈습니다. 이상 작동 시 자동 정지 기능까지 갖춰, 일주일이라는 긴 시간 동안 사람이 붙어있지 않아도 안전하게 돌아갈 수 있었던 것입니다. 그 결과 국내 광학업체는 이 테스트베드를 활용해 렌즈 소재와 공정을 개선했고, 7일 연속 노출 조건에서 해외 제품보다 작은 초점 위치 오차를 보이는 에프세타 렌즈를 실제로 만들어냈습니다.

광학계 오염 진단 기술 도입에 따른 국산 장비 경쟁력

레이저 가공기는 반도체, 자동차, 이차전지 같은 국내 주력 산업에서 핵심 장비로 쓰입니다. 하지만 그동안은 외산 중심 시장이다 보니 국내 업체가 자사 제품의 성능을 객관적으로 증명할 데이터를 확보하기 어려웠습니다.

이번 테스트베드는 이 부분을 채워줍니다. 실제로 한 국내 광학업체는 이 테스트베드를 활용해 렌즈 소재와 생산 공정을 개선했고, 1kW 레이저에 7일 연속 노출되는 조건에서도 해외 제품보다 작은 초점 위치 오차를 보이는 에프세타 렌즈를 만들어냈습니다. 장시간 고출력 레이저 용접 공정에서도 초점이 흔들리지 않고 유지된다는 뜻이니, 실제 생산 현장에서 바로 체감할 수 있는 결과입니다.

ISO 표준 기반 검증뿐 아니라 고객사 요구에 맞춘 장시간 맞춤형 평가도 가능해진 만큼, 앞으로는 국산 장비가 실사용 환경 데이터를 근거로 시장에서 신뢰를 얻을 수 있는 기반이 마련된 셈입니다.

이 글의 출력·절단 속도·가스 압력 등 수치는 일반적인 참고값입니다. 실제 조건은 장비 제조사와 모델, 광학계 상태, 소재 로트에 따라 달라지므로 작업 전 반드시 장비 매뉴얼과 시험 절단 결과를 우선하십시오.

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