한양대 ERICA 김지원 교수팀, 국내 최초 ‘킬로와트급 펨토초 광섬유 레이저’ 개발 성공

▲한양대 김지원 교수연구팀에서 개발한 고출력 펨토초 레이저 츌력 모습 (사진=한양대)

한양대학교 ERICA(총장 이기정) 국방지능정보융합공학부 김지원 교수 연구팀이 국내 최초로 1 kW(킬로와트) 이상의 고출력을 안정적으로 구현한 '펨토초 광섬유 레이저' 개발에 성공했다고 10일 밝혔다. 이번 성과는 초정밀 가공, 반도체 공정, 국방 등 첨단 산업 전반에 활용되는 고출력 펨토초 레이저 기술의 국산화 가능성을 크게 높였다는 점에서 주목받고 있다.

펨토초 레이저는 1조분의 1초 단위의 초고속 펄스를 발생시키는 레이저로, 열 발생이 거의 없어 정밀 가공성이 뛰어나 유리 및 반도체 기판 가공, OLED 필름 가공 등 첨단 산업 분야에서 폭넓게 활용되고 있다. 다만 기존 기술은 고출력 구현이 어렵고, 연속발진 레이저에 비해 안정성이 떨어지며 시스템 부피가 크다는 한계가 있었다.

김 교수 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 고출력 연속발진 레이저의 효율성과 펨토초 레이저의 고첨두 출력 특성을 동시에 만족시키는 광섬유 기반 펨토초 레이저 시스템을 개발했다. 연구팀이 구현한 레이저는 평균 출력 1.1 kW 수준에서 약 360 펨토초 동안 최대 800 kW에 이르는 순간 출력을 달성했으며, 전 시스템을 광섬유 기반으로 구성해 높은 안정성과 소형화라는 장점을 동시에 확보했다.

이번 기술은 세계적으로도 극히 소수의 선진 연구그룹에서만 제한적으로 보고된 수준으로, 특히 기존 연구와 달리 1030nm 파장 영역에서도 안정적인 구동이 가능해 산업용 증폭기 및 다양한 장비와의 호환성이 높다는 점에서 기술적 의미가 크다는 평가다.

연구팀은 앞서 2022년 한국생산기술연구원과의 공동 연구를 통해 국내 최초 3 kW급 연속발진 고출력 광섬유 레이저 개발에 성공한 바 있다. 이번 성과는 그 연장선에서 국내에서도 세계 최고 수준의 펨토초 레이저 플랫폼 구현이 가능함을 입증한 것으로, 향후 초정밀 가공, 반도체 소재 처리, 3D 유리 가공, 국방 레이저 시스템 등 다양한 분야로의 확장 가능성을 확인했다.

▲(왼쪽부터) 김지원 교수, 박인철 연구원, 박은경 연구원 (사진=한양대)

김지원 교수는 “이번 연구 성과는 한국이 고성능 광섬유 기반 초고출력 레이저 기술 분야에서 세계 정상급 수준에 올라섰다는 것을 보여주는 신호탄"이라며 “앞으로 반도체, 정밀 가공, 국방 분야에서 기술 혁신을 이끌 핵심 기술로 발전할 것"이라고 밝혔다.

한편 이번 연구는 산업통상자원부 소재부품기술개발사업과 한국기계연구원 기관고유사업의 지원을 받아 수행됐으며, 대한광통신㈜이 제공한 이득 광섬유를 활용해 기술 완성도를 높였다. 연구 결과는 지난 11월 26일 개최된 제35회 광자기술학회에서 발표돼 우수논문상을 수상했다.

해당 논문 「All-fiberized polarization-maintaining Yb fiber femtosecond laser with 1.06 kW output」에는 박인철 박사과정생이 제1저자로, 박은경 박사과정생이 참여저자로, 김지원 교수가 교신저자로 참여했다.

송기우 기자 kwsong@ekn.kr