Trimaran Co., Ltd

by Sang Kwuon Han, trimaran, 2024.08.19

초고에너지 레이저는 극도로 짧은 시간 동안 매우 높은 에너지를 집중하여 물질에 전달하는 기술로, 나노초(nanosecond) 또는 피코초(picosecond) 시간 단위로 펄스를 생성합니다. 이 기술은 매우 높은 출력을

가능하게 하며, 주로 과학 연구, 산업 응용, 의료 분야 등에서 사용됩니다. 초고에너지 레이저는 고강도 빛을 활용하여 물질을 가공, 분석, 변형시키는 다양한 응용을 가능하게 합니다.

1. 초고에너지 레이저의 기술적 특징

초단 펄스 생성

초고에너지 레이저는 나노초(nanosecond) 이하의 짧은 시간 동안 펄스를 생성합니다. 이는 매우 높은 순간 출력을 달성할 수 있게 하며, 물질 에 전달되는 에너지의 집중도를 극대화합니다. 펄스 폭이 짧을수록 레이저가 물질에 미치는 열적 손상을 최소화할 수 있습니다. 예를 들어

펨 토초(femtosecond) 레이저는 피코초(picosecond) 레이저보다 열 영향을 더 줄일 수 있습니다.

고출력

초고에너지 레이저는 펄스당 매우 높은 에너지를 전달할 수 있습니다. 예를 들어, 나노초 펄스에서 펄스당 몇 줄(Joule) 이상의 에너지를 전달할 수 있으며, 이는 순간적으로 기가와트(GW) 이상의 출력을 의미합니다. 이러한 높은 출력은 물질을 순간적으로 기화시키거나, 강한 압력을 생성하여 물질의 구조를 변형시키는 데 사용됩니다.

파장 선택성

초고에너지 레이저는 다양한 파장에서 동작할 수 있으며, 이는 특정 응용 분야에 적합한 파장을 선택할 수 있게 합니다. 일반적으로 Nd 레이저는 1064nm의 적외선 파장에서 동작하며, 532nm(녹색광), 355nm(자외선) 등의 조화파로 변환할 수 있습니다.

레이저 매질

초고에너지 레이저는 다양한 레이저 매질을 사용하여 생성됩니다. Nd(네오디뮴-이트륨 알루미늄 가닛) 레이저, 티타늄-사파이어(Ti) 레이저 등 이 대표적인 예입니다. Nd 레이저는 높은 출력과 우수한 빔 품질을 제공하며 산업 전반에서 널리 사용됩니다.

2. 초고에너지 레이저의 기술의 응용

산업 응용

초고에너지 레이저는 금속 가공, 재료 처리, 마이크로 머신닝, 반도체 제조 등 다양한 산업 분야에서 사용됩니다. 특히, 레이저 피닝, 레이저

어닐링, 레이저 클리닝 등의 응용에서 중요한 역할을 합니다. 적층 제조(3D 프린팅) 후공정에서도 초고에너지 레이저가 사용되어 부품의

내구성을 높이고, 표면 품질을 향상시키는 데 기여합니다.

과학 연구

초고에너지 레이저는 입자 가속기, 플라즈마 물리학, 고에너지 밀도 과학 등 다양한 기초 과학 연구에서 중요한 도구로 사용됩니다. 예를 들어, 레이저-플라즈마 가속기는 전자와 양성자를 매우 높은 에너지로 가속시켜 입자 물리학 연구에 사용됩니다.

의료 분야

초고에너지 레이저는 정밀 수술, 암 치료, 안과 수술 등에서 사용됩니다. 레이저의 높은 정밀도와 낮은 열 손상 특성 덕분에, 세포 수준의 미세한 절단과 제거가 가능합니다.

군사 및 국방

초고에너지 레이저는 군사적 응용에서도 중요한 역할을 합니다. 레이저 무기, 레이저 유도 미사일 방어 시스템, 통신 방해 등 다양한 용도로

연구되고 있습니다.

3. 초고에너지 레이저의 기술적 도전 과제

열 관리

초고에너지 레이저 시스템은 높은 출력을 생성하는 과정에서 많은 열을 발생시킵니다. 이 열을 효과적으로 관리하지 않으면 레이저 매질과

광학 부품이 손상될 수 있습니다. 이를 해결하기 위해 고효율 냉각 시스템과 열 관리 기술이 필요합니다.

빔 품질

높은 출력을 유지하면서도 균일한 빔 품질을 유지하는 것이 중요합니다. 빔 품질이 저하되면 가공 정밀도가 떨어지고, 예상치 못한 열 손상이 발생할 수 있습니다. 빔 품질을 개선하기 위해 빔 형성 기술과 안정화 기술이 필수적입니다.

레이저 매질의 손상 한계

초고에너지 레이저의 출력이 증가함에 따라, 레이저 매질과 광학 부품의 손상 한계를 극복하는 것이 필요합니다. 이를 위해 내구성이 높은

새로운 소재와 광학 설계가 요구됩니다. 특히, 광섬유를 통한 고출력 레이저 전송 기술은 전송 효율을 높이고 손상을 방지하는 방향으로 연구가 진행되고 있습니다.

4. 초고에너지 기술의 미래

더 높은 출력과 짧은 펄스

연구자들은 더욱 짧은 펄스와 높은 출력을 생성할 수 있는 새로운 레이저 기술을 개발하고 있습니다. 예를 들어, 아토초(attosecond) 레이저

기술은 펨토초 레이저보다 더 짧은 펄스를 생성할 수 있습니다. 이러한 기술은 초고속 현상 연구와 고정밀 가공에 새로운 가능성을 열어줍니다.

응용 분야의 확장

초고에너지 레이저 기술은 새로운 산업 분야와 응용으로 확장될 것으로 기대됩니다. 예를 들어, 양자 컴퓨팅, 우주 탐사, 환경 모니터링 등의

분야에서도 활용될 수 있습니다. 특히, 에너지 저장 및 변환 기술과 결합하여 새로운 형태의 에너지 솔루션을 제공할 수 있습니다.

레이저 시스템의 소형화와 통합화

초고에너지 레이저 시스템의 소형화와 통합화가 진행됨에 따라, 다양한 산업 현장에서의 적용이 용이해질 것입니다. 이는 생산 효율성을 높이고, 유지보수 비용을 절감하는 데 기여할 것입니다. 또한, 사용자 친화적인 인터페이스와 자동화된 제어 시스템이 개발되어, 다양한 응용 분야에서의 사용이 더욱 간편해질 것입니다.

초고에너지 레이저 기술은 다양한 산업 및 과학 연구 분야에서 중요한 역할을 하고 있으며, 지속적인 기술 발전을 통해 새로운 응용 분야로 확장되고 있습니다. 높은 출력, 짧은 펄스, 다양한 파장 선택성 등 초고에너지 레이저의 기술적 특징은 기존의 제조 공정과 연구 방법을 혁신적으로 변화시키고 있습니다. 향후 더 높은 출력과 짧은 펄스를 제공하는 레이저 기술의 발전과 함께, 초고에너지 레이저의 응용 가능성은 더욱 확대될 것입니다.

by Jihyun Heo, trimaran, 2024.01.29

위성정보는 인공위성에서 획득한 영상, 음성, 음향, 데이터 또는 이들의 조합으로 처리된 정보를 의미한다. (우주개발진흥법) 이러한 정보는 지도제작, 환경, 농업, 기상 등의 다양한 분야에서 활용된다.

위성은 활용 목적에 따라 지구관측위성, 통신

위성, 항법위성, 기상위성, 군사위성, 과학위성 등으로 구분할 수 있다. 우리나라는 정부 주도의 위성개발을 통해 자체적으로 구축한 위성을 운영하고 있으며, 2030년까지 총 130기의 위성을 발사할 예정이다. 이러한 위성의 증가로 획득할 수 있는 위성정보의 양 또한 증가하고 있는데,

국내 다목적실용위성의 영상 획득량은 누적 기준, 2013년 243만장에서, 2017년 443만장, 2022년 773만장으로 크게 증가하였다(위성정보활용종합계획 시행계획)

위성에서 획득한 데이터는 가치사슬(Value chain)의 여러 단계를 거쳐 사용자가 활용할 수 있는 특정 정보·제품이 된다. 예를 들어, 원격탐사위성은 위성의 운영, 위성영상의 수신 및 처리의 운영 단계, 위성정보의 저장과 배포의 공급 단계, 공급된 위성영상 기반의 1차 서비스를 제공하는 사용 단계, 위성영상 기반 부가가치서비스를 제공하는 활용단계로 구분된다.

위성의 특성에 따라 환경, 에너지, 식량안보, 재난대응, 해양,임업, 농업, 기상 및 기후 변화 등 다양한 사회문제 분야 해결을 위한 서비스에 활용되고 있다.

최근 (초)소형 군집위성 (Constellation)의

등장, 위성정보와 AI, 빅데이터 등의 첨단기술 융합을 통한 새로운 서비스가 등장하고 있다.

위성정보는 전지구를 대상으로 장기간에 걸친 시공간 및 물리적 특성에 대한 자료를 주기적으로 수집하는 특성이 있다. 지구 표면, 기상 및 기후, 기타 이벤트에 대한 정보의 획득 측면에서 위성 정보는 주요한 가치를 가지고 있으며, 특히 군집위성은 특정 지역의 준실시간 정보 획득이 가능한 장점을 보유하고 있다.

고해상도 위성개발은 육안으로도 대상을 식별가능한 수준에 와있으며, 첨단기술과의 융합으로 위성정보 기반의 새로운 서비스의 개발이 활발히 이루어지고 있다. 해외는 이미 AI 및 빅데이터 등의 첨단기술을 활용하여 수요자 맞춤형의 정보를 생산하고 있으며, 국내는 첨단기술 기반 위성영상 분석기술 개발을 위한 위성영상 AI 학습데이터를 구축하고 있다.

우리나라는 다중위성 시대를 맞이하여 위성활용의 범위 확대 및 관련 기술이 활발히 개발될 전망이다.

지난 2023년 5월, 실위성 8기가 실린 한국형 발사체 ‘누리호’의 발사 성공은 국내 우주산업이 본격적인 우주개발 시대를 맞이했음을 의미한다. 해외에서는 위성을 보유하고 있지 않으나, 위성영상을 전문적으로 분석하여 솔루션을 제공하는 기업이 등장하여 서비스 중이다.

국내 또한 운용 위성이 증가될 예정으로, 향후 위성정보를 활용한 분석서비스 전문 기업이 등장할 것으로 보인다.

초고에너지 레이저 기술(Ultra High Energy Laser Technology) - 레이저 피닝

레이저 피닝(Laser Peening, LP)은 고에너지 레이저를 사용하여 금속 표면에 잔류압축응력을 유도하는

기술입니다. 이 과정은 금속 부품의 피로 강도와 내마모성을 향상시키고, 응력부식균열(Stress Corrosion Cracking, SCC)을 예방하거나 완화하는 데 사용됩니다. 레이저 피닝은 항공우주, 자동차, 원자력, 해양

구조물 등 다양한 산업 분야에서 중요하게 활용되고 있습니다.

레이저 조사

나노초(nanosecond) 또는 피코초(picosecond) 단위의 짧은 시간 동안 고출력 레이저 펄스가 금속 표면에 집중됩니다. 일반적으로 Nd 레이저가 사용되며, 1064nm 파장의 적외선 레이저 빔이 자주 사용됩니다.

플라즈마 생성

레이저 빔이 금속 표면에 도달하면, 표면 물질이 순간적으로 플라즈마 상태로 전이됩니다. 이 과정에서 매우 높은 압력이 발생하며, 플라즈마 압력이 재료의 탄성 한계를 초과합니다.

잔류압축응력 유도

플라즈마 생성과 동시에 고압의 충격파가 금속 내부로 전달되며, 표면과 내부에 잔류압축응력을 남깁니다. 이 잔류압축응력은 금속 표면의

피로 강도를 높이고, 균열 발생을 억제하는 역할을 합니다.

표면 보호

레이저 피닝 과정에서 물이나 투명한 코팅제를 사용하여 금속 표면을 보호하고, 플라즈마 생성에 따른 에너지 손실을 최소화합니다.

2. 레이저 피닝의 산업적 활용

레이저 피닝 기술은 다양한 산업 분야에서 활용되고 있으며, 특히 다음과 같은 분야에서 두드러진 효과를 발휘하고 있습니다.

항공우주

항공기 엔진 부품, 터빈 블레이드, 기체 구조물 등 고하중, 고진동 환경에서 작동하는 부품에 레이저 피닝이 적용됩니다. 이는 피로 수명을 크게 향상시키고, 유지보수 비용을 절감하는 데 기여합니다.

자동차

자동차 엔진 부품, 크랭크샤프트, 기어 등 고강도 부품에 레이저 피닝을 적용하여 피로 강도와 내마모성을 높입니다. 이는 자동차의 성능과

내구성을 향상시키는 데 중요한 역할을 합니다.

원자력

원자로의 핵심 부품, 특히 응력부식균열(SCC)에 취약한 부위에 레이저 피닝이 적용됩니다. 이는 원자로의 안전성을 높이고, 수명 연장을 가능하게 합니다.

해양 구조물

선박, 해양 플랫폼 등 해양 환경에서 부식과 피로에 노출된 구조물에 레이저 피닝이 적용됩니다. 이는 구조물의 내구성을 높이고, 유지보수

비용을 절감하는 데 도움을 줍니다.

3. 레이저 피닝의 미래 과제

레이저 피닝 기술은 많은 장점을 가지고 있지만, 몇 가지 도전 과제가 남아 있습니다. 이러한 과제를 해결함으로써 기술의 적용 범위를 더욱

확대하고, 효율성을 높일 수 있습니다.

비용 절감

레이저 피닝 장비와 공정 비용이 여전히 높은 편입니다. 보다 경제적인 레이저 피닝 시스템을 개발하고, 대량 생산 공정에 적용할 수 있는 방안을 모색해야 합니다.

처리 속도

레이저 피닝의 처리 속도를 향상시키는 것이 중요합니다. 이를 위해 고출력 레이저 소스와 빠른 스캐닝 시스템을 개발하여 대규모 부품에도

신속하게 적용할 수 있는 기술이 필요합니다.

응용 범위 확대

현재 레이저 피닝은 주로 고부가가치 부품에 적용되고 있습니다. 이를 다양한 산업 분야와 더 많은 부품에 적용하기 위해 기술 개발이 필요합니다. 특히, 중소형 부품에도 효과적으로 적용할 수 있는 방법을 연구해야 합니다.

자동화 및 통합

레이저 피닝 공정의 자동화와 다른 제조 공정과의 통합이 필요합니다. 이는 생산성을 높이고, 품질을 일관되게 유지하는 데 중요합니다.

자동화된 레이저 피닝 시스템을 개발하여 기존 제조 라인에 통합하는 것이 과제입니다.

기술 표준화

레이저 피닝 기술의 표준화가 필요합니다. 이는 기술의 신뢰성을 높이고, 다양한 산업 분야에서의 채택을 촉진하는 데 중요합니다.

국제 표준을 마련하고, 표준화된 성능 평가 방법을 개발해야 합니다.

연구개발 투자

레이저 피닝 기술의 지속적인 발전을 위해 연구개발 투자가 필요합니다. 특히, 새로운 레이저 소스, 고성능 광학 부품, 효율적인 열 관리 시스템 등에 대한 연구가 필요합니다. 정부와 산업계의 협력을 통해 연구개발을 촉진하고, 혁신적인 기술을 상용화하는 것이 중요합니다.

레이저 피닝 기술은 금속 부품의 피로 강도와 내마모성을 크게 향상시키는 혁신적인 기술입니다. 항공우주, 자동차,

원자력, 해양 구조물 등 다양한 산업 분야에서 중요한 역할을 하고 있으며, 앞으로도 그 활용 범위가 더욱 확대될 것으로 기대

됩니다. 그러나 비용 절감, 처리 속도 향상, 응용 범위 확대, 자동화 및 통합, 기술 표준화 등 여러 과제를 해결해야 합니다.

지속적인 연구개발과 기술 혁신을 통해 레이저 피닝 기술의 잠재력을 최대한 발휘할 수 있을 것입니다.