일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2023.9.14

새로운 레이저로 변모하는 세계
교토대학, 반도체 레이저 혁신
초(超)고휘도화로 스테인리스도 절단

최근 고체 레이저의 소형화가 급속하게 추진되고 있다. 소니그룹과 소니세미컨덕터솔루션즈(SSS)는 고체 레이저의 부피를 1mm³까지 소형화하는데 성공. 길이도 반도체 레이저(LD, laser Diode) 수준이며, 수동 Q 스위치 기능도 도입했다.

하지만 고체 레이저에는 에너지효율이 낮다는 단점이 있어 소자를 소형화한다고 해서 에너지효율이 크게 향상되는 것은 아니다. 이러한 문제에 대해 LD 자체의 과제를 해결해 LD의 이용 가치 향상과 응용 범위 확대를 목표로 하는 연구개발도 급속히 진행되고 있다. LD는 원래 에너지효율이 70% 내외로 높기 때문에 LD의 고휘도화 및 고출력화를 실현할 수 있게 된다면 장점이 크다.

-- 빛이 빔의 형상이 되지 않아 --
LD의 과제 중 하나는 빔의 품질이 낮다는 것이다. 빔의 품질이란 레이저광이 소자에서 나온 후의 빔의 퍼짐 및 형상에 대한 평가로, 퍼짐이 작고 광학 밀도가 가우스 분포에 가까울수록, 즉 ‘M²’라는 지표 값이 1에 가까울수록 빔의 품질은 높다.

일반적인 LD는 대부분 이 M²값이 100 이상으로, 빔의 품질이 매우 낮다. 그 원인은 빛이 매우 좁은 영역에서 나오기 때문에 회절(回折)로 인해 넓게 퍼지기 쉽다는 점, 그리고 가로 모드와 세로 모드 등으로 불리는 공진기 내 빛 경로의 편차로 인해 얼룩무늬 등이 나타나는 점 때문이다. 렌즈 등 광학계에 의한 보정이 없는 LD의 출력광은 이른바 레이저 빔의 이미지와는 거리가 멀다.

출력이 높아도 빔의 품질이 낮으면 휘도의 높이 등 레이저광으로서의 특징 중 상당수가 상쇄되고 만다. 또한 보정을 위한 광학계가 복잡해져 코스트가 높아지거나 디바이스의 크기가 커진다.

-- 포토닉 결정으로 단일모드 --
교토대학 노다(野田) 교수 연구팀은 1999년 이후, 이러한 LD의 과제를 포토닉 결정(PhC)으로 해결하기 위한 연구개발을 추진. 최근 몇 년 간, 지금까지의 LD의 상식을 뒤집는 큰 성과를 속속 내놓고 있다.

구체적으로는, PhC를 LD의 활성층 가까이에 배치한 ‘PCSEL(Photonic-Crystal Surface-Emitting Lasers)’을 개발했다. 이를 통해 가로 모드 및 세로 모드에서의 발진을 억제할 수 있다. PhC의 공공(空孔) 형상이 완전한 원형인 경우는 PhC에서 편파(偏波)를 제어할 수 없지만, 공공 형상을 타원이나 삼각형 등으로 해 비대칭성을 도입하면 편파도 제어할 수 있게 된다.

-- 비대칭성 도입으로 하이퍼 모드 억제 --
노다 교수 연구팀은 2018년, 이 PhC의 구조에 비대칭성을 보다 적극적으로 도입한 ‘2중 격자 PhC’를 이용해 PCSEL을 개발. 직경 500μm라고 하는 LD로는 파격적으로 큰 면적의 발광면으로 품질이 높은 빔의 레이저 발진에 성공했다. LD의 발광면을 넓게 하면 그만큼 출력을 높일 수 있지만, 일반적으로는 하이퍼 모드라고 하는 ‘배음(倍音)’과 같은 모드가 다수 출현해 빔의 품질이 현저하게 저하된다.

한편, 2중 격자 PhC 상에서는 PhC를 추종하는 방향의 몇몇 빛의 합파(合波)가 간섭하여 사라지기 때문에 하이퍼 모드가 억제되어 높은 품질을 유지한 채 출력을 높일 수 있다.

노다 교수 연구팀은 2022년에 발광면의 직경이 3mm인 PCSEL도 개발했다. 단순히 면적만을 넓힌 것이 아니라, 소실성 간섭도 강화했다. 한번 방사파(放射波)가 된 성분과 PhC 상의 전자계와의 결합, 더 나아가 온도 상승을 고려해 PhC의 격자 상수를 조정함으로써 빔의 퍼짐각을 0.05도 이하로 억제했다. M²값은 약 2이다.

-- 렌즈나 앰프가 불필요 --
노다 교수 연구팀이 발광면을 넓힌 PCSEL의 위력은 굉장하다. 연속 발광으로 1GW/cm²/sr(sr는 입체각)라는 대형 레이저 장치에 필적하는 초고휘도를 실현했다. 연구팀은 실제로 이것으로 스테인리스판을 절단하는 데모도 선보였다.

또한 빔의 품질이 높기 때문에 보정용 렌즈를 이용하지 않아도 먼 곳까지 빛이 도달할 수 있다. 이러한 특징을 이용해 소형 LiDAR, 우주 등에서 사용되는 자유 공간 광통신을 렌즈와 앰프 없이 실현 가능하다고 한다.

노다 교수 연구팀은 가까운 미래에 PCSEL의 발광부의 직경을 10mm로 확대할 방침이다. 이 경우 평균 출력은 1kW급으로, 산업용 레이저 가공에 사용할 수 있는 수준이 라고 한다.

-- PhC를 슬라이드처럼 이용 --
PhC의 장점은 빔의 품질 향상이나 고출력화뿐만이 아니다. 노다 교수 연구팀은 PhC의 공공의 형상이나 위치를 약간 어긋나게 함으로써, 원하는 영상을 투영할 수 있는 ‘복합 변조 PhC’와 이것을 이용한 ‘M(Modulated)-PCSEL’도 개발했다.

기본적으로는 슬라이드와 같이 하나의 영상에 하나의 복합변조 PhC를 사용하며, 매트릭스 형태로 구현한 전극을 사용함으로써 영상의 형상을 다소 바꾸거나 영상을 내보내는 방향을 바꾸는 것도 가능하다.

PhC에는 또 다른 기능도 있다. 노다 교수 연구팀은 PhC에 가포화 흡수 영역을 마련해 수동 Q 스위치 기능을 PCSEL에 도입하는 데도 성공했다.

전술한 바와 같이 LD의 광 여기(勵起) 캐리어의 수명은 수 나노(n)초로 짧아 수동 Q 스위치 기능을 도입하는 것은 쉽지 않다. 하지만 펄스 폭을 수십 피코(p)~수 백 p초의 단(短)펄스로 하면 Q 스위칭이 가능해진다.

-- 나노 임프린트 기술을 이용한 양산으로 저렴해져 --
이러한 연구개발의 사회적 임팩트는 매우 클 것이다. PhC는 지금까지 전자빔(EB)을 이용한 패터닝 기술로 제작되어왔지만, 이 경우 제조 코스트가 매우 비싸다.

하지만 최근 들어 나노 임프린트(Nano Imprint Lithography: NIL)라고 부르는 도장과 같이 틀을 눌러 패터닝하는 기술로도 EB와 같은 수준의 결과를 얻을 수 있다는 사실이 밝혀졌다. “양산 시 NIL을 사용함으로써 제조 코스트를 큰 폭으로 낮출 수 있다”(노다 교수)라고 한다.

가까운 미래에는 레이저의 용도가 현재보다 더욱 확대되어 가위나 칼 대신 레이저를 사용하는 등, 우리 실생활까지도 크게 달라질 가능성이 있다.

 -- 끝 --

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