과열 등 출력제한 문제 해결해 국내 최고 출력 달성, 한화 납품

 

 

한국생산기술연구원이 날아오는 무인 드론을 근거리에서 격추시킬 정도로 강력한 레이저 출력을 낼 수 있는 '3㎾급 광섬유 레이저 광원’을 국내 최초로 개발했다.

 

최근 잇따른 전쟁에서 드론 등의 무인기로 인한 피해 사례가 많아지면서, 신속·정확하면서도 미사일방어 시스템보다 저렴한 비용으로 운용 가능한 레이저 무기가 차세대 방공체계로 각광받고 있다.

 

 

레이저 무기에는 빛의 전(全)반사를 이용해 광속으로 빔을 쏠 수 있는 광섬유 기반의 레이저를 주로 적용하는데, 빔 품질이 우수하고 외부 간섭에 따른 에너지 손실도 거의 없어 고출력에 유리하기 때문이다.

 

특히 ㎾급 고출력 레이저 가공기는 이미 소부장 100대 핵심 전략품목으로서 반도체, 디스플레이, 자동차, 조선 등 제조 분야에서 절단, 용접, 드릴링과 같은 다양한 용도로도 사용되고 있다.

 

하지만 레이저 성능을 궁극적으로 결정하는 핵심부품인 광원 모듈은 미국, 독일, 일본 등 선진국 수입에만 의존하고 있어, 제조혁신과 자주국방 실현을 위해 광원기술 국산화가 절실한 실정이다.

 

일반적으로 광섬유 레이저의 출력이 ㎾급으로 높아지면, 수㎜ 두께의 강철도 자를 수 있는 강력한 성능을 보여준다.

 

하지만 레이저 출력이 증가할수록 광섬유가 과열되거나 원하지 않는 레이저 빛이 발생하는 비선형 문제로 인해 레이저 출력이 제한되고 광섬유 손상이 발생한다.

 

이 때문에 하나의 광섬유를 광원으로 사용하는 단일채널 단일모드 레이저의 경우, 상업적으로 이용 가능한 출력이 그동안 약 2㎾ 내로 머물러 왔다.

 

이에, 한화는 2019년 상용 광섬유만을 사용해 출력 제한을 2.5㎾까지 높일 수 있는 국산화 연구를 실용화 전문 연구기관인 생기원에 의뢰했다.

 

생기원 디지털헬스케어연구부문 정훈 박사와 한양대학교 ERICA캠퍼스 나노광전자학과 김지원 교수가 이끄는 공동연구팀은 2년간의 연구 끝에, 지난 2월 단일채널 단일모드 출력을 최대 3㎾까지 높일 수 있는 광섬유 레이저 광원 개발에 성공하고 시제품을 한화에 납품했다.

 

이 성과는 현재 국내에서 개발된 광섬유 레이저 광원 중 가장 높은 출력이며, 해외 상용 제품들의 출력이 모두 3㎾ 이내라는 것을 고려하면 세계 기술과의 격차도 크게 줄인 것으로 평가된다.

 

연구팀은 레이저의 비선형 현상 저감과 빔 품질 향상을 위한 이론적 분석을 바탕으로, 효과적인 방열 구조설계를 완성시켜 목표를 상회하는 3 ㎾급의 출력을 달성해낼 수 있었다.

 

개발한 기술이 상용화되면 산업 분야에서 레이저 절단·용접 공정의 생산성을 증대시키는 한편, 국방 분야에서 기동식 대공방어 레이저 무기 및 폭발물 원거리 처리 용도에 적용 가능하다.

 

또한, 2개 이상의 광섬유 레이저 채널을 하나로 뭉치는 ‘파장 빔 결합 (Spectral Beam Combining, SBC)’ 방식에도 유리하여 100 ㎾ 이상의 더 높은 출력 및 미사일 방어에 활용할 수 있을 것으로 예상된다.

 

정훈 박사는 “개발한 광원기술은 최적화 연구가 동시에 이뤄져 산업에 바로 적용 가능한 단계로서 향후 단일 출력을 10 ㎾까지 끌어올릴 계획”이며, “관련부품인 특수 광섬유, 레이저 다이오드, 신호광·펌프광 컴바이너 등의 국산화 연구도 기업과 병행 중”이라고 밝혔다.

 

한편 이번 성과는 한화의 지원을 받았으며, 한화는 이 기술을 활용해 향후 폭발물 처리기 및 대공용 소형 레이저 무기 개발에 활용할 방침이다.

 

헬로티 김진희 기자 |