보고서 정보
주관연구기관 |
한동대학교 HanDong Global University |
연구책임자 |
유태준
|
참여연구자 |
김정묵
,
정성호
,
서송원
,
이동훈
|
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
|
발행년월 | 2018-10 |
과제시작연도 |
2017 |
주관부처 |
산업통상자원부 Ministry of Trade, Industry and Energy |
과제관리전문기관 |
한국산업기술평가관리원 Korea Evaluation Institute of Industrial Technology |
등록번호 |
TRKO202200007139 |
과제고유번호 |
1711057241 |
사업명 |
전자정보디바이스산업원천기술개발 |
DB 구축일자 |
2022-09-03
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키워드 |
고에너지 레이저 빔 발생 기술.고반복률 발생 기술.레이저 파장 가변기술.레이저 빔 시공간 모양 제어 기술.
|
초록
▼
3. 개발결과 요약
□ 최종목표
- 금속의 표면개질용 고에너지 레이저와 상용화를 위한 핵심 활용기술 개발
- 산업현장 기준에 부합하는 높은 안정도와 고반복률 동작과 시공간빔형상 제어기술을 통한 높은 가공효율 달성
- 높은 가공품질과 다양한 재료의 가공을 보장하는 빔균질기 모듈 개발
- 레이저 표면개질 산업 생태계 조성을 위한 표면개질효과 연구와 시제품 개발
□ 개발내용 및 결과
본 기술개발 과제에서는 표면개질 산업의 활성화와 세계시장진출을 목표로 표면개질 산업에 활용될 수 있는 고에너지,
3. 개발결과 요약
□ 최종목표
- 금속의 표면개질용 고에너지 레이저와 상용화를 위한 핵심 활용기술 개발
- 산업현장 기준에 부합하는 높은 안정도와 고반복률 동작과 시공간빔형상 제어기술을 통한 높은 가공효율 달성
- 높은 가공품질과 다양한 재료의 가공을 보장하는 빔균질기 모듈 개발
- 레이저 표면개질 산업 생태계 조성을 위한 표면개질효과 연구와 시제품 개발
□ 개발내용 및 결과
본 기술개발 과제에서는 표면개질 산업의 활성화와 세계시장진출을 목표로 표면개질 산업에 활용될 수 있는 고에너지, 고반복률 레이저 시스템과 그를 구성하는 부품모듈을 개발했고, 표면개질 산업의 활성화 및 적극적인 수요창출을 목적으로 표면개질 기술의 고효율, 고품질화 방안과 적용 가능한 재료와 제품의 탐색을 수행하였다. 보다 자세하게는,
1. 125 J·Hz급 표면개질용 고에너지 레이저 시스템 개발
- 금속 표면개질에 사용할 수 있는 10J급의 레이저 시스템 개발을 완료했고, 높은 에너지를 얻음과 동시에 빔의 시공간 형상을 자유로이 조정할 수 있는 MOPA(Master Oscillator Power Amplifier)방식의 레이저 설계를 적용, 시드빔 오실레이터와 레이저 증폭모듈등 주요부품들의 국산화를 위한 기초연구, 설계를 마쳤다.
- 사용한 매질은 Nd:YAG로 산업용 레이저에 널리 사용되므로 매질의 안정적인 공급이 보장되어 있고, 산업적 노하우가 충분히 축적되어 있다.
- 레이저 시제품 출시를 위한 레이저 벤치를 직접 설계, 제작했고 그 과정에서 시스템의 위험요소 분석을 마쳤다. 완성된 벤치에서 모듈별 조립 과정을 통해 높은 생산성과 유지보수의 편리가 보장된다.
2. 레이저 빔 시공간 형상를 위한 균질기 및 파장변환기술 개발
- 레이저 시공간 형상과 레이저 표면개질의 상관관계의 연구를 통해 높은 가공 효율을 가지는 빔의 형상을 도출하였고, 그를 만족하는 형태의 빔으로 성형하는 기술 개발을 완료했다.
- 가공의 품질과 효율의 향상을 위한 빔균질기를 개발했다. 줌광학계가 포함되어 다양한 재료에 적용될 수 있으며, 레이저의 부가제품으로 상용화를 위한 설계를 마쳤으며, 시제품 제작 예정이다.
- 표면개질을 하고자 하는 재료에 따라 적합한 파장을 사용할 수 있도록 발진되는 레이저 빔의 파장을 변환하는 기술개발을 완료하였다. 완성된 레이저에서는 적외선 레이저가 발진된다.하지만, 파장 변환 모듈을 통해 가시광 영역으로 변환할 수 있어 가공기로서 유용성을 더했다.
3. 상용화를 위한 레이저 시스템의 부품 설계 안정도 향상
- 개발 단계에서 상용화를 염두하여 각 부품의 모듈 설계를 함께 수행했다. 각 모듈에서 발생하는 열문제, 되반사, 플라즈마형성 등의 위험요소를 분석했고, 이를 고려한 모듈의 결합형태로 시스템을 구성했다.
- 각 부품은 상세설계까지 마쳤고, 증폭기와 빔균질기, 레이저 발진 노즐 등 대부분의 모듈은 시제품 생산이 가능한 수준의 상세설계까지 마쳤고, 대부분의 재료 및 가공은 국산화가 가능한 수준이다.
- 레이저 시스템은 다양한 종류의 광학 및 전자 부품들이 총망라된 시스템으로 제품화 이후 생산을 위해 상당한 필요한 인적, 물적자원이 요구된다. 이 비용의 경감을 위해 비교적 간편한 조립과 유지, 보수의 간편함을 위한 레이저 벤치를 설계하였다. 이를 통해 생산비용과 유지비용을 줄일 수 있고, 전기, 기계, 광학부를 분리함으로 안정적인 동작과 보수의 간편성을 확보하였다.
4. 레이저 표면개질의 효율 향상을 위한 효과 분석
- 레이저를 이용한 표면개질 산업 생태계의 구축을 위해 레이저 개발과 동시에 표면개질 기술에 관한 연구를 진행했고, 그 결과 금속의 종류에 따라 경도, 내부식성, 내마모성, 피로강도 등의 향상을 확인하였다.
- 확인된 성능의 향상을 바탕으로 레이저 표면개질이 적용 가능하 제품을 탐색, 시제품을 구성하는 소재에 표면개질 효과를 직접 검증하였다.
- 표면개질의 효과 향상과 표면처리를 통해 금속등에 부여할 수 있는 특성 다양화를 위한 나노입자 코팅 기술의 연구를 부가적으로 수행했다.
□ 기술개발 배경
- 초소형 고성능 기어, 고내구성 3D 입체금속 성형, 항공 및 자동자용 첨단 소재의 경량화와 같은 첨단 제조기술은 모든 산업의 기초임.
- 단조 및 표면개질 산업은 국내외 모두 꾸준히 성장하고 있어 국내 단조산업의 규모는 2015년 이미 10조원을 넘어섬.
- 표면 개질 기술의 개발로 기존 산업의 제품과 부품의 경량화, 고강도화, 수명 및 성능의 향상과 별도의 코팅이나 소모재료 없이 마모강도, 부식강도 등을 향상시킬 수 있으나 기존의 가공방법은 형상의 제약등 한계를 가짐.
- 한편, 고에너지 레이저는 전자, 광학부품의 발전과 함께 꾸준히 발전해 금속의 표면개질에 활용이 가능한 규모로 개발이 가능함.
- 레이저 개발에 필요한 국내의 기계적 가공기술, 광학적 부품 제조기술은 이미 충분한 수준이지만, 레이저 시스템의 설계부분, 특히 고에너지 레이저는 상대적으로 개발이 미진함.
- 본 과제의 고에너지 레이저의 개발을 통해 국내 단조산업에 기여함과 동시에 국내 레이저산업 및 광학산업 전반에 기여할 수 있음.
□ 핵심개발 기술의 의의
- 현재 10J급의 고에너지 레이저 시스템을 생산하는 업체는 세계적으로도 많지 않으며, 대부분 대형 군수업체로 10J급의 고에너지 레이저의 개발 자체로 충분한 의의가 있음.
- 국내 고에너지 레이저 수요는 다양한 분야에 걸쳐있으며 그 규모도 작지 않지만, 대부분을 수입에 의존하고 있어 본 과제의 개발 성과의 사업화를 통해 수입의존도를 낮출 수 있으며 구성하는 부품의 국산화를 통해 국내광산업 전반에 기여할 수 있음.
- 고에너지 레이저의 활용성은 재료의 표면개질에 그치지 않으며 다이오드방식 고체레이저, 초고출력 레이저 시스템의 개발에 기여함.
- 파장변환, 줌 광학계가 포함된 빔 균질기, 파장변환 모듈, 빔 분배기술 등은 광학과 기계, 전자등이 결합된 기술로 그 개발의 난이도 높아 언급한 기술만으로도 충분한 가치가 있음.
□ 적용 분야
- 본 개발과제의 주목표인 금속의 표면개질에 적용할 수 있으며 파장변환을 통해 세라믹 반도체 등 비금속재료에도 적용할 수 있으며 고에너지 레이저를 활용한 다른 디스플레이, 의료산업에 응용될 수 있으며, 극한상황의 연출을 필요로 하는 첨단 과학연구에 활용될 수 있다.
(출처 : 기술개발사업 최종보고서 초록 4p)
목차 Contents
- 표지 ... 1
- 제 출 문 ... 2
- 최종보고서 초록 ... 3
- 기술개발사업 주요 연구성과 ... 8
- 목차 ... 17
- 제 1 장 : 서론 ... 18
- 제 2 장 : 과제 수행의 내용 및 결과(기술개발 내용 및 방법) ... 20
- 제 1 절 : 최종 목표 및 평가 방법 ... 20
- 제 2 절 : 단계 목표 및 평가 방법 ... 20
- 제 3 절 : 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 23
- 제 4 절 : 수행 결과의 보안등급 ... 31
- 제 5 절 : 유형적발생품(연구시설, 연구장비 등)구입 및 관리현황 ... 31
- 제 3 장 : 결과 ... 33
- 제 1 절 : 연구개발 최종 결과 ... 33
- 제 2 절 : 연구개발 추진 체계 ... 89
- 제 3 절 : 고용 창출 효과 ... 92
- 제 4 절 : 자체보안관리진단표 ... 93
- 제 4 장 : 사업화 계획 ... 98
- 제 1 절 : 시장 현황 및 전망 ... 98
- 제 2 절 : 사업화 계획 ... 99
- 제 3 절 : 향후 추가 기술 개발 계획 (개발기술 응용 등) ... 102
- 끝페이지 ... 102
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