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TDK, 새로운 레이저 제어 디바이스 제조법 개발
주파수는 10배, 제조 코스트 10분의 1

TDK는 국내 최대급 규모의 IT·일렉트로닉스 기술 박람회 ‘CEATEC 2024’(지바, 마쿠하리멧세, 10월 15~18일)에서 영상 투영 등에 사용되는 가시광 레이저용 제어 디바이스를 선보였다. 레이저 출력을 제어하기 위한 포토닉집적회로(PIC)에는 니오브산리튬(LiNbO₃, LN) 박막을 사용. LN에 인가되는 전압에 따라 레이저의 색을 조절하는 새로운 제어 방식으로 기존과 비교해 제어 속도를 10배 이상 높였다.

이번에 TDK는 LN박막을 제조하는 기술로 스퍼터링(Sputtering)에 의한 새로운 성막 기술을 확립했다. 벌크 자재를 깎아 박막을 만드는 기존의 방법과 비교해 “제조 코스트를 10분의 1 정도로 절감할 수 있을 가능성이 있다”(TDK)라고 한다.

-- 위상으로 발광량을 변화시켜 --
레이저 소자로의 전류량을 변화시켜 RGB(적, 녹, 청)의 발광량을 변화시켰던 방식과는 달리, 새로운 제어 디바이스에서는 LN에 인가되는 전압의 세기로 발광량을 변화시킨다. LN은 전압에 의해 굴절률이 변화하는 특성을 가지고 있다. LN부에서 레이저로부터의 빛을 분기하고, 전압으로 한쪽의 굴절율을 변화시켜 위상을 어긋나게 한다. 위상의 어긋남 정도에 따라 출력부에서의 빛의 진폭을 변화시킬 수 있다. 예를 들면, 위상이 180도 어긋나면, 빛의 파장이 상쇄되어 출력부에서는 발광하지 않는다.

레이저의 색을 바꿀 때에는 전압을 전류값보다 고속으로 제어할 수 있다. 구체적으로는, 전류값 제어에 의한 가시광 레이저의 펄스 주파수는 1GHz 정도가 한계였지만, 전압 제어에서는 그 10배인 10GHz까지 높일 수 있다. 이를 통해 이번 새로운 제어 디바이스에서는 4K 이상의 해상도 영상을 실현할 수 있게 되었다.

-- 스퍼터링으로 제조 코스트를 10분의1 --
이번 가시광 레이저용 제어 디바이스의 LN 박막은 스퍼터링으로 성막한 것이다. 스퍼터링이란 물리기상증착(PVD)의 일종이다. 진공챔버에 박막으로 만들고 싶은 재료(타깃, 이번에는 LN)와 박막을 형성하고 싶은 기판을 마주보도록 설치하고 챔버 내부를 아르곤(Ar)으로 채운다. 이 상태에서 타깃에 고전압을 인가하면 Ar이 Ar 이온(Ar+)이 된다. Ar+이 타깃에 충돌함으로써 타깃을 구성하는 원자 또는 분자가 튀어나와 기판 위에 박막이 형성된다.

스퍼터링은 단시간에 큰 면적을 성막할 수 있기 때문에 반도체 제조 등의 성막 방법으로 일반적으로 사용되고 있다. 하지만, 스퍼터링으로 형성되는 LN 박막은 지금까지 결정성이 낮아 레이저 제어 디바이스에 적용했을 때 원하는 물성(物性)이 나오지 않았다. 이 때문에 기존에는 벌크 자재를 얇게 깎아내어 기판에 붙이는 방법으로 성막했다. 이 방법은 대량 생산에는 적합하지 않아 비용이 많이 든다.

TDK는 스퍼터링 장치의 개량 등 성막 방법을 고안했다. 이를 통해 LN 박막의 결정성이 대폭 개선되어 레이저 제어 디바이스로서의 충분한 물성을 실현했다. 벌크 자재를 깎는 기존의 방법과 비교해 “제조 코스트를 10분의 1 정도로 낮출 수 있을 전망”(TDK)이라고 한다.

TDK는 향후, 개발한 스퍼터링 기술을 광변조기 등의 광통신용 LN 디바이스 제조 기술로도 확대해 나갈 것이라고 한다.

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