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공격용 무인 드론, 레이저로 격추한다.

- 생기원, 강철도 자르는 '3㎾급 고출력 광섬유 레이저 광원' 국산화

- 과열 등 출력제한 문제 해결해 국내 최고 출력 달성, ㈜한화 납품

□ 한국생산기술연구원(원장 이낙규, 이하 생기원)이 날아오는 무인 드론을 근거리에서 격추시킬 정도로 강력한 레이저 출력을 낼 수 있는 '3킬로와트(㎾)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.

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

* 빛이 특정 면에서 100% 반사되는 현상

ㅇ 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.

ㅇ 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.

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

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

ㅇ 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.

ㅇ 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.

ㅇ 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.

ㅇ 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.