일본산업뉴스요약

광전융합에 양자점 레이저, 제조할 수 있는 것은 일본과 독일 단 2개사
공세를 펼치고 있는 QD레이저 1부

광전융합기술 분야에서 레이저 광원을 둘러싼 패권 경쟁이 펼쳐지고 있다. 지금까지 어려웠던 광전융합 디바이스에 광원을 내장하는 기술이 양자점 레이저(Quantum Dot Laser)이다. 광원을 내장할 수 있게 된다면 소비전력을 크게 줄일 수 있다. 국내에서 양자점 레이저를 개발하고 있는 반도체 레이저 기반 솔루션 기업인 QD레이저는 Co‑Packaged Optics(CPO) 제품에 도입하는 것을 목표로 하고 있다.

CPO에 사용할 수 있는 양자점 레이저의 양산 기술을 보유한 회사는 전 세계적으로 일본의 QD레이저와 독일의 Innolume 단 두 곳뿐이다. QD레이저가 강점으로 내세우고 있는 것은 발광에 사용되는 양자점 형성의 노하우이다. QD레이저의 양자점 레이저는 200℃ 정도의 고온에서도 발광할 수 있기 때문에 발열체가 되는 프로세서 가까이에 배치되어 있어도 안정적으로 동작한다. 현재, 대기업 등과도 연구개발을 가속화해 수 년 후의 양산을 목표로 하고 있다.

-- 고온 내성에 대한 문제 해결, 200℃에서도 동작 --
반도체 패키지 간을 광케이블로 연결하는 CPO는 양산이 시작된 지 얼마 되지 않은 기술이다. 지금까지 발표된 CPO 제품은 대체로 외부 광원(ELS: External Laser Source)을 사용, 광전 변환을 담당하는 광 엔진과는 별도로 설치해야 한다. 예를 들어, CPO 제품의 양산화를 선도하고 있는 NVIDIA와 Broadcom은 ELS를 채택하고 있다. 주류인 ‘양자 우물 레이저(Quantum Well Laser)’는 고온에서 발진하기 어렵다는 문제가 있어 광원 내장이 어렵다.

양자 우물 레이저는 박막으로 이루어진 ‘우물’과 같은 액티브 층에 전자와 정공(홀)을 가두는 구조이다. 음전하를 가진 전자와 양전하를 가진 입자처럼 움직이는 정공을 전류 주입으로 다시 결합시켜 발광한다. 고온에서 발진하기 어려운 이유는 전자가 열 에너지를 가지고 외부 층으로 새어나가기 때문이다. 이렇게 되면 발진에 사용되는 전자가 줄어들어 출력이 저하된다. “IC에서 발생하는 열이 100℃를 넘으면 일반적으로 양자 우물 레이저의 충분한 발광이 어렵다.”라고 QD레이저의 오니시(大西) 레이저디바이스사업부장은 말한다.

-- 극소 입자에 전자를 밀봉 --
ELS의 가장 큰 문제는 내장형에 비해 소비전력이 늘어난다는 점이다. 광 엔진과 광원 사이의 거리가 멀기 때문에 고출력 레이저가 필요하게 된다. QD레이저는 200℃ 이상에서도 발진할 수 있는 양자점 레이저를 개발, “CPO의 광원 내장에 적합하다.”(오니시 부장)라고 한다.

양자점 레이저가 고온에서도 안정적으로 동작할 수 있는 이유는 전자를 박막이 아니라 나노미터(nm) 규모의 작은 입자에 강하게 가두기 때문이다. 상하 좌우 방향으로 전자를 움직이지 못하도록 함으로써 고온에서도 외부로 새어나가지 않게 된다. GPU(화상처리 반도체)와 같은 칩은 동작 시 80℃ 이상에 도달한다. “85℃ 이상의 고온이 되면 양자점 레이저의 우위성이 드러난다.”라고 오니시 부장은 말한다.

또한, 양자 우물 레이저에 필요했던 온도 조절 부품이 필요 없다는 점도 양자점 레이저의 장점이다. 양자 우물 레이저는 프로세서에서 떨어진 위치에 배치되어도 그 자체가 구동 시 뜨거워진다. 50℃ 정도의 온도를 유지하기 위해 펠티어 소자와 같은 부품이 필요하다.
 

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