광섬유 레이저(Fiber Laser)의 발열량 측정 및 광섬유 레이저를 이용한 최적화를 통해 고출력을 생산하는 방법
광섬유 레이저(Fiber Laser)의 발열량 측정 및 광섬유 레이저를 이용한 최적화를 통해 고출력을 생산하는 방법
장비에 발생할 수 있는 손상의 위험을 고려할때, 열화상 카메라는 투자 비용 대비효과가 매우 뛰어난 효과를 가져다 줄 수 있는 솔루션입니다
이번 활용 사례는 도쿄대 대학원 이학계연구과 아토세컨드 레이저 과학 연구 센터의 부교수로 재직 중인 레자 아마니(Reza Amani) 교수가 공유한 활용 사례입니다.
아마니 교수는 현재 열화상 카메라를 사용하여 광섬유 레이저의 게인 파이버에서 발생하는 열을 측정하여 온도 제한 역치를 초과할 때 발생할 수 있는 파열로 인한 장비 손상이나 사용자 부상을 예방하고 있습니다. 열화상 카메라는 실험 중 학생들을 지원하고 실험 현장에서 사용할 때 사용자의 안전을 확보하는 동시에, 장비의 성능을 개선하는 데에도 큰 도움이 될 수 있습니다.
레자 아마니
연구 담당 부교수
토쿄대 대학원 이학계 연구과 아토세컨드 레이저 과학 연구 센터
섬유 손상을 방지하기 위한 온도 상승 여부 모니터링
레자 아마니 교수는 고출력 레이져를 개발해 물리 화학 분야 연구에 크게 기여하고 있을 뿐만 아니라, 각종 기업과 적극적인 협업을 요하는 다양한 연구에 참여하고 있습니다. 레이저 가공은 반도체 산업 이외에도 다른 여러 산업에 도입되어 활용되고 있습니다. 레이저는 다양한 소재를 가공할 수 있고, 고정밀, 초미세 가공에도 널리 사용됩니다. 특히 아마니 교수가 연구하고 있는 광섬유 레이저는 에너지 변환 효율이 높고 안정성과 신뢰성이 탁월합니다. 또한, 빛을 섬유에 가두어 두기 때문에 클릭 룸을 필요로 하지 않으며, 전기적 제어와 취급 용이성 등의 장점 덕분에 많은 주목을 받고 있습니다.
“우리가 ‘게인 파이버’라고 부르는 광섬유의 코어에는 Er(에르븀)과 Yb(이테르븀)가 첨가되어 있습니다. 22W 이상의 레이저 출력은 단일 모드에서도 얻을 수 있지만, 광섬유는 여기 이후 즉시 가열됩니다. 만약, 섬유가 특정 온도에 도달할 경우, 섬유는 먼저 부풀어 오른 다음 파열되는 문제가 발생할 수 있습니다. 이런 문제가 발생하면 장비는 무용지물이 되고 부상의 위험도 존재합니다.”
이러한 위험을 방지하기 위해 광섬유 레이저의 게인 파이버에서 발생하는 열을 측정해야 할 필요가 있으며, 섬유가 온도 한계치에 도달하여 클래딩(아크릴레이트 코팅)의 외부 플라스틱이 파괴되기 전에 실험을 중단해야 합니다. 그러나 게인 파이버가 생성되면, 온도 제한치를 초과하는 시점은 파악할 수가 없습니다. 이에, 온도 상승을 모니터링하는 수단으로 레자 아마니 교수는 Teledyne FLIR 열화상 카메라가 도입한 것입니다.
Er 및 Yb 이온이 첨가된 게인 파이버. 이 게인 파이버는 공진기를 만들기 위해 다중 모드 976nm 여기 레이저와 함께 사용됩니다. 그런 다음, 1,560nm의 중심파장으로 진동하여 22W이상의 단일 모드 레이저를 출력할 수 있습니다. 이러한 레이저 소자는 레이저 가공, 중적외선 레이저의 여기, 광통신 분야 등에 활용될 수 있는 큰 잠재력을 지니고 있습니다.
게인 파이버에 Er-Yb 이온이 첨가되면 녹색의 형광 불빛이 생성됩니다. 이 형광 빛이 강할수록 여기 레이저의 흡수는 높아지고 발열량도 높아집니다.
Teledyne FLIR 고해상도 성능 및
손쉬운 분석 기능
아마니 교수는 연구실에 구비되어 있던 열화상 카메라로 측정을 시도했지만 픽셀 수가 너무 적었고 이미지 해상도 또한 떨어져 측정 값이 실제 값보다 낮아 기존의 열화상 카메라는 사실상 쓸모가 없었습니다.
“예전에 얇은 디스크 레이저를 연구할 때, FLIR의 높은 픽셀 수 열화상 카메라를 사용했던 경험이 있었습니다. 그래서 저는 이미 FLIR 카메라가 얼마나 장점이 많은지 잘 알고 있었어요. 섬유는 아크릴레이트 코팅이라고 불리는 플라스틱 외피를 포함하여 250μm 정도로 그 두께가 상당히 얇습니다. 그래서 열 해상도가 일정 수준이 되지 않으면, 온도를 정확하게 측정할 수 없어요. 저는 1년 전 즈음에 부교수로 부임했기 때문에, 연구실도 이제 막 걸음마 단계에 있었습니다. 예산도 제한되어 있는 관계로, 일단은 FLIR E54를 도입하기로 했습니다. E54는 열 해상도가 우수한 편이고 가격도 대학 연구실에 맞는 합리적인 수준이었습니다.”
Teledyne FLIR을 선택한 또 다른 이유로, 아마니 교수는 수집된 데이터를 PC에서 분석할 수 있다는 점을 꼽았습니다. “저희 연구실에서는 촬영한 이미지 데이터를 PC로 가져와 다양한 분석을 수행하고 있습니다. 현장에서 데이터만 보고 열이 어디에서 발산되고 있는지 정확히 판단하기는 어렵지만, PC로 데이터를 가져오면 보다 자세한 분석이 가능합니다. 이는 정말 큰 장점입니다.”
휴대용 열화상 카메라 FLIR E54
FLIR E54는 FLIR 최초의 휴대용 온도계측 카메라로, 320 x 240 픽셀 적외선 해상도를 이용해 온도 차이가 있는 물체의 전체적인 온도 분포를 보여줍니다. 더불어, MSX®를 사용한 이미지 보정 기능은 동급 카메라 중에서도 가장 선명한 이미지를 제공합니다. 탈착식 망원 렌즈와 광각 렌즈는 다양한 장면과 구역을 측정하는데 매우 유용합니다. 또한 PC 소프트웨어와 연결하여 시계열 온도 변화를 영상으로 분석 및 기록할 수 있는 것도 장점입니다.
온도 한계치 식별 및 최적화 방안 마련
“저희도 열전대나 기타 접촉식 온도계를 사용합니다. 하지만 이제는 열화상 카메라 덕분에 이제 온도 분포를 기반으로 온도가 높게 유지되는 경향이 있는 부품을 더 효과적으로 찾을 수 있게 되었습니다."
게인 파이버의 최고 내열 온도는 80°C입니다. 열화상 카메라는 온도 분포를 정밀하게 측정할 수 있어, 쿨러로 열을 적절히 제거하면 게인 파이버를 최대 110°C까지 사용할 수 있습니다. 이렇게 온도 한계치를 식별하고 파이버 최적화를 위한 방안을 마련하면, 장비 손상 및 작업자 부상과 같은 위험을 방지할 수 있습니다.
“일본은 다른 선진국에 비해 연구 예산이 제한적이라고 생각합니다. 외국의 경우, 열화상 카메라가 거의 모든 곳에서 사용되는 일반적인 장비입니다. 저는 일본의 연구개발에도 열화상 카메라가 더욱 적극적으로 활용되어야 한다고 생각합니다. 이번 연구에 사용된 섬유가 만약 온도 한계치를 초과하여 파손되면, 약 300,000엔 정도의 장비를 새로 구매해야 합니다. 이런 점을 감안하면 열화상 카메라는 가격 대비 그 효과가 나쁘지 않습니다”고 아마니 교수는 설명하였습니다.
하나의 레이저로 다양한 재료를 처리하는 것을 포함해 시중에서는 레이저가 광범위하게 사용되고 있습니다. 레이저로 여러 소재를 가공하려면 평소보다 출력을 높여야 하고, 이는 발열 문제로 이어질 수 있습니다. 열을 측정하는 측면에서 열화상 카메라는 이와 같은 문제에 매우 유용한 솔루션입니다. 이에, 앞으로도 열화상 카메라는 각종 연구개발에 큰 역할을 할 것으로 기대됩니다.