전기전자/정보통신

Nikkei Electronics_2023.10 특집 요약 (p28~57)

다양한 레이저의 활약
소형·고출력을 무기로 모든 분야를 혁신

통신, 급전, 반도체 및 전자회로 기판 제조, 금속 가공, 더 나아가 레이저 핵융합과 농업, 방위 기술 등, 폭넓은 분야에서 레이저광이 크게 활약하기 시작했다. 그리고 레이저 장치와 디바이스 자체의 기술 혁신도 가속화되면서 지금까지의 레이저에 대한 상식이 달라지고 있다. 이번 특집에서는 이러한 각 용도에서 레이저광을 사용한 새로운 전개와 레이저 기술의 돌파구를 상세하게 소개한다.

제1부: 새로운 용도(1)
레이저는 아미나이프, 통신·급전에서 제조·발전(發電)까지

단색성이 강하고 고휘도로 먼 곳까지 도달할 수 있으며, 한 점에 에너지를 집중시킬 수 있는 레이저광. 지금 그 용도가 ‘21세기의 아미나이프’라고 불릴 정도로 급격하게 확대되고 있다. 조명과 통신, 빛을 이용한 급전, 그리고 반도체 제조와 핵융합 발전, 더 나아가 우주쓰레기 및 해충의 제거, 드론 격추 등이다.

1960년에 개발된 레이저광의 용도가 최근 몇 년간 급격히 확대되고 있다. 그 배경 중 하나는 레이저광 출사 장치의 고출력화와 소형화의 진전이다. 이전에는 고체 레이저라는 대형 장치가 필요했고, 이용할 수 있는 빛의 파장도 한정되어 있었으며, 전력을 빛으로 변환하는 효율도 3% 정도로 매우 낮았다.

고효율 및 초소형의 반도체 레이저(LD)는 당초 이용할 수 있는 파장이 한정적이었지만, 발광다이오드(LED) 보급을 배경으로 빛의 색상 선택지가 크게 늘었다. 이 뿐만 아니라, 파이버 레이저라고 하는 다수의 LD의 출력을 광섬유로 증폭하는 구조가 개발됨으로써 큰 출력의 레이저광을 사용하는 편의성이 크게 향상되었다.

-- 여러 가지 새로운 용도도 등장 --
또 하나의 배경은 유저 측 수요의 변화 및 확대이다. 다수의 기지국을 이용하는5G가 확대되었고, 드론이 등장했다. 또한 자율주행에 이용되는 LiDAR의 저비용화, 반도체 및 전자회로 기판의 고도화 및 다품종 소량 생산, VR(가상현실) 고글과 AR(증강현실) 글래스 개선 등의 수요 확대도 있다.

하지만 전원 문제와 레이저광의 출력/빔 품질, 그리고 저비용이면서 고속의 제조 방법 등은 아직 해결되지 못한 상태이다. 이러한 과제를 해결하는 수단으로 제조 방법을 포함한 새로운 레이저의 용도가 제안되고 있으며, 이에 적합한 레이저 소자도 개발되고 있다.

■ 조명 및 통신에서 LED를 대체, 수중이나 우주를 브로드밴드로

레이저의 용도로 이른 시기부터 이용되어 온 것은 광섬유 통신 등 정보를 전달하는 통신용 매체로써의 사용법이다. 그리고 그 가장 ‘원시적’인 사용법이 물체에 빛을 비춰 그 정보를 아는 조명이라고 할 수 있다. 현재 이 조명 분야에서 LED에서 LD로의 전환이 시작되고 있다.

LD를 조명에 이용하는 것에 일찍부터 도전하고 있는 기업이 교세라(京セラ)의 자회사인 미국의 KYOCERASLD Laser(KSLD)이다. KSLD는 질화갈륨(GaN) 베이스의 청색 LED 개발로 2014년의 노벨 물리학상을 수상한 나카무라(中村) 씨가 발족시킨 구(舊) SLD Laser를 2021년 1월에 교세라가 인수한 기업이다. 조명 광원으로 LED가 아닌 파장이 445nm이고 청색 발광의 LD를 이용하는 것이 특징이다.

-- 휘도를 대폭 높일 수 있어 --
LD를 조명의 광원으로 사용하는 가장 큰 이유는 높은 휘도이다. LED에서는 전류가 커지면 발광효율이 떨어지는 '드룹(Droop) 현상'이 일어난다. 한편 LD에서는 이 드룹 현상이 일어나지 않으며, 오히려 전류를 크게 할수록 발광효율이 높아진다.

실제로, KSLD의 광원은 밝기가 최대 4만 루멘(lm)으로, 거의 같은 사이즈의 LED 모듈, 예를 들면, 미국의 Cree LED 제품인 ‘XLamp XHP 70.3’의 약 8배. 빔 폭도 약 1/10으로 좁고, 도달거리는 최대 10㎞로 LED의 5~10배이다.

-- 코히어런스는 사용하지 않아 --
LED와 비교해 LD의 또 하나의 큰 차이는 LD의 빛이 코히어런트(결맞음), 즉 위상과 편파면이 갖추어져 있고, 단색성도 높다는 점이다. 하지만 KSLD는 제품에서 이러한 성질은 이용하지 않고, 우선 형광체에 조사(照射)함으로써 백색의 인코히어런트한 빛으로 변환하도록 했다. 그 이유는 우선 흰색 빛이 필요하다는 점. 그리고 스펙클이라 불리는 레이저 특유의 미세한 깜박임이 조명으로써는 방해가 된다는 점, 무엇보다 눈 등에 대한 안전성을 고려해서 인 것 같다.

인코히어런트라도 해도 이렇게까지 고휘도의 빛을 지근거리에서 눈으로 직접 보는 것은 위험하기 때문에 KSLD는 LD모듈 제품에서 적외선LD도 같은 광축으로 발광시켜 사람이 있는지 여부의 센싱에 사용하는 등, 안전성을 높이기 위한 연구를 하고 있다. 이 적외선LD는 나이트 비전이나 LiDAR에도 사용할 수 있다고 한다.

KSLD는 미국에서는 보다 생활에 가까운 초고휘도의 손전등을 이미 발매했다고 한다. 또한 ‘Li-Fi’라고 불리는 가시광 통신 업계 사양에 준거하는 형태로 실내에서의 통신에도 이용해나갈 방침이다. 최대 통신 속도는 25 G비트/초. 하지만, 수광 측 장치의 관계 때문에 제공하는 개발 키트에서는 1 G비트/초의 통신 속도에 그친다고 한다.

-- VR/AR의 백라이트도 LD로 --
KSLD는 LD의 유망한 용도로 디스플레이, 특히 VR 고글과 AR 글래스로의 응용도 꼽고 있다.

이에 대해서는 재팬 디스플레이(JDI) 등도 개발을 추진하고 있으며, 2022년 5월에는 디스플레이 기술의 국제 학회 ‘SID Display Week 2022’에서 LD를 채택한 VR용 광학계를 선보였다.

기술의 핵심은 우선 홀로그램 광학소자(HOE)를 팬케이크 광학계의 하프미러 대신 사용했다는 점이다. 디스플레이의 빛을 효과적으로 이용할 수 있어 소비 전력의 절감으로 이어진다.

하지만 HOE는 특정 파장의 빛을 상정해 설계된 것이기 때문에 LED의 파장이 폭넓게 확산된 빛에서는 제대로 작동하지 않는다. 이 때문에 디스플레이 백라이트에 LED가 아닌 LD를 사용하게 되었다.

“현시점(2022년 5월 시점)에서는 LD 소자가 크고 화상이 거친 것이 과제”(JDI)라고 하지만, 다른 기사에서 소개되었듯이, 최근에는 LD 소자 자체의 소형화가 크게 진전되고 있다.

-- 렌즈나 거울 없이 영상을 표시 --
LD 소자 개발에서는 백라이트로서가 아니라, LD 모듈 자체가 디스플레이와 같은 역할을 하는 기술도 등장했다. 이것은 레이저광을 미러 등으로 주사(走査)해 영상을 그리는 것이 아니라 기계적으로 움직이는 부품을 사용하지 않고 원하는 패턴의 영상을 표시하는 기술로, 교토대학의 노다(野田) 교수 연구팀이 2017년에 발표했다. “변조 포토닉 결정을 이용한 역(逆)푸리에 변환”(노다 교수)이라고 한다.

노다 교수는 상정하는 사용법 중 하나로 일반 빔 주사형 LD와 조합한 플래시형LiDAR를 꼽고 있다. 기존의 플래시형 LiDAR는 렌즈를 통해 빛을 광각으로 넓혀 조사하지만, 커버하는 범위에 균일한 밝기의 빛을 내는 것은 쉽지 않았다.

이번 신기술은 렌즈 등 광학계 없이도 가능하다고 한다. 하지만 플래시형만으로는 빛이 먼 곳까지 도달할 수 없기 때문에 다소 먼 곳에 있는 반사율이 낮은 물체에 대해서는 빔을 조사해 자세한 형상 등을 알아낼 필요가 있다. 이를 위해 노다 교수 연구팀은 LiDAR 제조사와 공동으로 개발을 추진하고 있다고 한다.

-- 수중 통신에서도 LD가 활약 --
먼 곳까지 강한 빛을 전달할 수 있는 LD의 강점은 수중에서 통신하는 용도에도 안성맞춤이다. 해저 케이블의 보수 점검을 하는 잠수원과의 통신 외에도 최근에는 수중 드론도 보급되고 있어, 수중에서의 통신 기능의 중요성이 높아지고 있다.

지금까지 수중에서의 통신에는 주로 음향 기술이 사용되어 왔다. 음향 기술은 최대 1,000km라는 극히 먼 곳까지 신호가 갈 수 있다는 것이 특징이다. 하지만 통신 용량에서는 비교적 거리가 가까워도 1M 비트/초가 한계. 거리가 먼 곳의 경우 1k비트/초 전후로, 초기 다이얼 업 통신과 같은 수준이 된다.

이 때문에 최근에는 보다 대용량 통신 실현을 위해 수중에서도 어느 정도 사용할 수 있는 청색이나 녹색 빛을 이용한 수중 통신 기술에 관심이 높아지고 있다. 수 미터의 거리라면 LED로도 100 M비트/초 정도의 통신이 가능하지만, LD를 사용함으로써 100 m 이상의 거리에서 1 G비트/초라고 하는 대용량 통신도 가능해지고 있다.

-- 우주에서의 실용화도 진행 --
LD를 이용한 대용량 통신에 대한 수요가 높아지고 있는 영역은 또 하나 있다. 바로 우주이다. 특히 최근에는 저궤도인공위성(LEO)의 수가 비약적으로 증가하고 있어, 그것들과 지상을 연결하는 통신 회선의 확보가 과제가 되고 있다.

LEO는 정지위성과 달리, 지구를 약 90분에 한 바퀴 도는 고속으로 이동하고 있어 특정 지상국과의 통신 가능 시간은 10분 정도밖에 되지 않는다. 또한 우주항공연구개발기구(JAXA)에 따르면, 지금까지 LEO와 지상국간의 전파를 이용한 통신에는 직경 3.6m의 대형 안테나가 필요하며, 회선 용량은 240M비트/초 정도로 한계가 있었다.

만일, 1일 1회 밖에 지상국과 통신할 수 없는 경우의 평균 통신 속도는 약 1.7 M비트/초. 고화질 영상과 같은 대용량 데이터는 실시간으로 보낼 수 없을 뿐만 아니라, 한꺼번에 전송하는 데도 제약이 크다고 한다. LEO의 수가 늘어나면 필요한 데이터 전송이 따라가지 못하게 될 가능성이 높다.

이 때문에 JAXA는 우선 LEO에서 정지 위성인 광데이터 중계 위성에 레이저광으로 데이터를 보내고, 거기서 지상국에 전송하는 ‘광위성간 통신 시스템(LUCAS)’을 개발, 이미 몇 가지 검증도 완료해 실용화를 추진하고 있다.

LUCAS에 있어서 LEO에서 광데이터 중계 위성까지의 통신 용량은 1.8 G비트/초로 대용량이다. 또한 안테나도 지름 14cm의 초소형이면 된다. 지상으로부터 약 3만 6,000km의 고도에 있는 광데이터 중계 위성에서는 LEO의 주회 궤도의 약 1/2를 추적할 수 있다. 한편, 광데이터 중계위성은 지상국과 전파로 통신하지만, 상시 통신이 가능하기 때문에 시간적 제약은 적다.

이미 2020년 11월에 광데이터 중계 위성 발사는 완료된 상태로, LEO 대신 광지상국과의 통신도 실증했다. 이후 LUCAS에 대응하는 LEO를 발사했지만, 그 제1호기인 ‘다이치 3호’는 올 3월, 발사에 실패. 최종적인 실증은 미뤄진 상태이다.

JAXA는 가까운 미래에 LEO와 광데이터 중계 위성간 뿐만 아니라, LEO간이나 LEO와 지상국간의 통신, 더 나아가 여러 가지 위성간 통신 등, 거의 모든 우주에서의 통신 회선을 LD 베이스로 전환해나갈 계획이다.

제1부: 새로운 용도(2)
IoT 단말기에 무선급전 드론, EV와 기지국에도

레이저광의 응용처로 통신 이외에도 다양한 용도가 상정되고 있다. 그 중 하나가 전력 전송이다. 전력으로 레이저광을 발생시키고, 그것을 떨어진 장소에서 수광소자로 받아 광전 변환하여 전력으로 되돌리는 것이다.

반도체 제조에서도 활약, 기판·전사·웨이퍼에

레이저는 정밀한 전자회로 기판 및 반도체 제조 방식도 크게 바꾸고 있다. 가장 먼저 등장한 것이 2010년경부터 스마트폰용 다층 프린트 기판 패터닝에 사용되기 시작한 ‘다이렉트노광(Direct Imaging:DI)’이다. 이전까지의 포토마스크를 대신해 보라색 또는 근자외선의 레이저광으로 직접 패턴을 그리는 것이다. 레이저광을 투영형 디스플레이에도 사용되는 MEMS 미러의 일종 ‘DMD’ 등으로 반사해 패턴을 그린다.

핵연료, 우주쓰레기, 해충 등, 고속 이동체를 조준 사격

‘연료’를 레이저광으로 폭축시켜 핵융합을 일으키는 레이저 핵융합은 2022년 12월, 미국 로렌스리버모어국립연구소(LLNL)의 NIF(National Ignition Facility)가 조사한 레이저광의 에너지를 초과하는 에너지를 핵융합으로 추출하는 원리 검증을 약 60년 만에 성공. 큰 화제가 되었다.

제2부: 기술
손끝에 장착하는 강력한 레이저, 효율도 대폭 향상

레이저에 대한 수요가 높아지는 가운데, 레이저광 발진 장치와 소자 개발에도 돌파구가 잇따르고 있다. 특히 지난 1년 정도 사이에 일본에서 매우 큰 진전이 있었다. 기존의 대형 레이저 장치의 출력이 손가락 끝에 장착할 수 있는 크기의 레이저 소자로 얻을 수 있게 되었다. 낮았던 에너지효율도 크게 향상되고 있다.

레이저에 대한 이러한 새로운 움직임은 용도뿐만 아니라 레이저광을 발진하는 장치나 소자 분야에서도 나오고 있다. 극적인 변화라고 할 수 있을 정도로 장치/소자의 소형화와 출력 향상, 그리고 빔 품질 향상 등이 급속하게 추진되고 있다.

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