[EBN 산업경제 이수진 기자] 

태성에스엔이, 고에너지 레이저 '열과의 싸움' 해법 찾았다 SCIE급 학술지 게재

고에너지 레이저의 출력이 높아질수록 반사경의 열변형으로 빔의 집속 성능이 떨어지는 문제가 커지는 가운데 태성에스엔이가 한화시스템·국방과학연구소(ADD)와 함께 열흡수부터 구조 변형, 파면오차, 최종 집속 성능까지 한 번에 예측할 수 있는 통합 해석 기술을 제시했다.

                                레이저가 주경→부경→꺾임기술 4개를 거쳐가는 구조를 한눈에 보여주는 광학계 배치도 모습 (출처: 태성에스엔이) 

태성에스엔이는 한화시스템과 국방과학연구소(ADD)와 함께 고에너지 레이저 시스템에서 발생하는 열적 영향을 구조 변형과 광학 성능 변화까지 연계·예측할 수 있는 열-구조-광학 통합 해석 기술을 연구했다고 16일 밝혔다.

특히 이번 연구 결과는 국제학술지 Applied Physics A에 ‘Integrated thermo-structural-optical analysis of precision reflective optics for a high-energy laser system’이라는 제목으로 게재됐다.

Applied Physics A는 글로벌 학술출판사 Springer Nature가 발행하는 응용물리·재료과학 분야 국제학술지다. 50년 이상의 발간 역사를 보유하고 있으며 Science Citation Index Expanded(SCIE), Scopus 등 주요 국제 학술 데이터베이스에 등재돼 있다.

이번 연구에는 배종인 한화시스템 팀장을 비롯해 한화시스템, 국방과학연구소, 태성에스엔이 연구진이 공동으로 참여했다.

고에너지 레이저는 드론과 순항미사일 등 다양한 위협에 신속하게 대응할 수 있는 차세대 방공 기술로 주목받고 있다. 탄약을 발사하는 기존 무기체계와 달리 레이저 에너지를 표적에 집중시키는 방식이어서 신속한 대응과 낮은 발사 비용 등이 장점으로 꼽힌다.

다만 레이저 출력이 높아질수록 광학계에 가해지는 열부하도 커진다. 특히 레이저를 전달하는 반사경은 소량의 에너지만 흡수해도 온도가 상승할 수 있다. 온도 상승으로 발생한 미세한 변형은 파면오차를 키우고 레이저의 집속 성능을 떨어뜨릴 수 있다.

기존 연구에서는 레이저 조사에 따른 반사 코팅층의 표면 열흡수와 광학 소재 내부의 체적 열흡수를 각각 분리해 분석하는 방식이 주로 활용됐다. 하지만 실제 고에너지 레이저 광학계에서는 코팅층과 기판에서 발생하는 열이 동시에 작용하기 때문에 두 열원을 함께 고려할 필요가 있다.

연구진은 이번 연구에서 코팅층의 표면 열흡수와 기판 내부의 체적 열흡수를 하나의 열해석 모델로 통합했다. 여기에 구조 및 광학 해석을 연계해 실제 운용 조건에서 발생하는 복합적인 열부하가 반사경의 변형과 전체 광학계 성능에 미치는 영향을 시스템 단위로 분석했다.

특히 여러 개의 반사경으로 구성된 광학계를 대상으로 각 반사경에서 발생한 열적·구조적 변화가 최종 광학 성능에 미치는 영향을 살폈다.

이를 위해 Ansys Mechanical과 Ansys Zemax OpticStudio를 연계해 열흡수 → 온도 변화 → 구조 변형 → 광학 성능 변화로 이어지는 과정을 통합적으로 계산했다.

◆10kW급 레이저, 600초 조사에 최고온도 51.5℃

10kW급 레이저를 600초 동안 조사하는 조건에서는 반사경의 최고 온도가 51.5℃까지 상승하는 것으로 나타났다. 

전체 시스템의 최대 변형량은 5.86μm, 개별 반사경의 최대 표면 변형은 0.82μm?로 계산됐다. 이 같은 열변형은 파면오차 증가로도 이어졌다. 해석 결과 전체 광학계의 최대 파면오차는 248nm RMS까지 상승했다. 반사경에서 발생하는 미세한 변형이 최종 레이저 집속 성능에 영향을 줄 수 있다는 의미다.

연구진은 반사경 소재와 코팅 특성에 따른 영향도 비교했다. Zerodur와 Fused Silica를 적용한 결과, 코팅 흡수율 차이가 온도 상승 특성에는 영향을 미쳤지만 일정한 조건에서는 최종 광학 성능의 차이가 상대적으로 크지 않은 것으로 나타났다.

◆출력 높아지자 열변형 심화…50kW급은 60초 만에 100℃ 넘어

레이저 출력이 높아질수록 열에 따른 성능 저하는 더욱 뚜렷해졌다.

출력을 50kW로 높인 조건에서는 불과 60초 동안 조사했을 때 반사경의 최고 온도가 100℃를 넘어섰다. 초점 반경 역시 회절한계 범위를 벗어나는 것으로 나타났다. 이는 고출력 레이저 시스템에서 단순히 레이저 출력을 높이는 것뿐 아니라, 증가하는 열부하를 얼마나 효과적으로 관리하느냐가 안정적인 광학 성능 확보에 중요한 요소라는 점을 보여준다.

반대로 냉각 조건을 강화하면 성능 개선 효과가 나타났다. 강제 공랭 수준의 높은 대류 열전달계수를 적용한 경우에는 600초 동안 레이저를 조사한 이후에도 초점 반경이 회절한계 범위 안에서 유지되는 것으로 계산됐다. 고에너지 레이저 광학계의 안정적인 성능을 확보하기 위해서는 반사경 소재뿐 아니라 코팅의 에너지 흡수 특성과 냉각 조건을 함께 고려하는 통합적인 열관리 설계가 필요하다는 것이 연구진의 설명이다.

이번 연구는 개별 반사경의 열변형만 분석하는 데 그치지 않고, 코팅과 기판에서 발생하는 열흡수부터 온도 변화, 구조 변형, 파면오차, 최종 집속 성능까지 하나의 해석 과정으로 연결했다는 데 의미가 있다.

이를 통해 고에너지 레이저 광학계 설계 단계에서 열적·구조적 영향을 사전에 예측하고 성능 저하 요인을 검토할 수 있는 방법론을 제시했다.

조선영 태성에스엔이 수석매니저는 "이번 연구는 앤시스 기반 다중물리 해석 기술을 활용해 고에너지 레이저 시스템에서 발생하는 열·구조·광학 현상을 통합적으로 예측할 수 있음을 보여준 사례"라며 "향후에도 국방·항공우주를 비롯한 다양한 첨단 산업 분야에서 시뮬레이션 기반 설계 기술의 활용 범위를 확대해 나갈 계획"이라고 말했다.

출처 : 이비엔(EBN)뉴스센터(https://www.ebn.co.kr)