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Nikkei X-TECH_2023.9.20

신 레이저로 세계 변모
유기EL 레이저 버전, 2026년에 실용화
발광 색을 자유롭게 선택할 수 있어

교토대학(京都大学)의 노다(野田) 교수 연구팀의 연구로 초고휘도가 실현됨으로써 반도체 레이저(LD)가 지금까지의 기체 레이저 장치나 고체 레이저 장치를 대체하거나 새로운 초소형 LiDAR 및 광통신 기기를 만들어 낼 가능성이 높아졌다. 한편, 레이저 소자 기술과 그 용도도 한 단계 더 크게 변화할 가능성이 있다.

그 중 하나가 유기 반도체 레이저(Organic Semiconductor Laser Diode: OSLD)이다. OSLD는 규슈대학(九州大学) 교수이자 최첨단유기광전자연구센터(OPERA) 센터장 등을 맡고 있는 아다치(安達) 교수 연구팀이 2019년에 세계 최초로 개발했다. 규슈대학은 같은 해 실용화를 목표로 하는 벤처 ‘KOALA Tech’도 발족시켰다.

-- 약 30년의 연구가 드디어 결실 맺어--
LD가 발광다이오드(LED)에 광 공진기를 삽입해 실현한 소자인 것처럼 OSLD도 유기EL(OLED)에 광 공진기를 구현함으로써 실현되었다. 하지만 기술적 과제가 많아 전류 여기(勵起)에 의한 레이저 발진에 30년 가까이 걸렸다.

그 사이에 전세계 연구자들이 개발 경쟁에 속속 참여. 개발에 성공했다는 발표도 적지 않았지만, 대부분은 재현성이 없거나 레이저로서 충족해야 할 성질을 갖추지 못해 실제로 성공한 사례는 나오지 않았다.

기술적 과제란 (1)유기 반도체와 전극 간 계면에서의 에너지 손실이 크다, (2)OLED의 발광 구조인 형광 발광과 인광 발광 중 후자의 구조가 OSLD에서는 빛을 흡수하는 방향으로 작용해 레이저 발진을 방해한다, (3)폴라론(polaron)이라고 불리는 유기 색소에 전압을 인가했을 때 나타나는 분극(分極) 기반의 전하 캐리어가 빛을 흡수해 버린다, (4)수 kW/cm²라고 하는 대전류와 이 때의 발열에 대한 유기 반도체의 내구성이 낮아 발광 수명이 짧다 등이다.

아다치 교수 연구팀은 2019년에 (1)~(3)의 과제를 거의 극복해 전류 여기 OSLD에서 청색 발광의 레이저 발진을 확인했다. “재현성에 대해서도 문제는 없다”(KOALA Tech의 이토(伊藤) 이사 겸 CFO(최고재무책임자))라고 한다. 단, 과제 (4)에 대해서는 지금도 개선 중이라고 한다.

-- 얇고 유연한 의료기기도 실현 가능 --
OSLD가 LD 등에 비해 우수한 점은 (i)발광파장의 선택지가 매우 넓다 (ii)양산시 저비용으로 만들 수 있다 (ii)OLED와 소자구조가 거의 같고, OLED와의 조합이 용이하다는 점이다.

(i)에 대해서 LD는 선택 가능한 반도체 재료가 비소화갈륨(GaAs)이나 인화인듐(InP), 질화갈륨(GaN), 또는 이들의 조합에 한정되어 있어, 결과적으로 발광파장도 한정되어 있다. 비선형 결정으로 파장을 1/2나 1/4로 할 수는 있지만, 그 경우 소자 크기가 매우 커지거나 에너지 효율이 크게 저하된다.

한편, OSLD는 유기 반도체 재료에 무한에 가까운 설계 자유도가 있기 때문에 임의의 발광파장을 선택할 수 있게 될 가능성이 높다. 하지만 현시점에서는 아직 개발이 진행 중인 상태로, “녹색이나 황색 발광은 비교적 용이하지만, 청색과 적색이 어려워 개발의 중요 과제가 되고 있다”(KOALA Tech의 이토 CFO)라고 한다.

상정하고 있는 OSLD의 용도는 “우선은 근적외선을 이용하는 초소형이고 플렉시블한 펄스 옥시미터 등의 바이탈 센서나 헬스케어 기기, 안면인증 시스템 등이다”(이토 CFO). 실현된다면, 반창고와 같은 펄스 옥시미터를 수 시간 착용해 심박수나 혈중 산소 농도 등을 지속적으로 계측하는 것도 가능해진다.

그 밖에도 상기의 (ii)나 (iii)의 특징을 살린 저비용의 레이저 디스플레이와 OLED 디스플레이에 센싱 기능을 추가한 기기 등도 유망한 용도가 될 전망이다.

-- 소니그룹과 공동 개발 --
이러한 용도의 가능성에 주목해 소니그룹의 투자부문인 소니이노베이션펀드(SIF)가 2020년과 2021년, KOALA Tech에 출자. 2022년에는 소니그룹이 KOALA Tech와 공동 개발을 시작했다.

KOALA의 이토 CFO는 “초기에는 소량 생산이 될 가능성도 있지만, 2026년의 제품화를 목표로 하고 있다”라고 한다. 과제가 되고 있는 발광 수명 등은 “소자 기술 가운데 어떤 것이 어느 정도 수명에 영향을 미치는지에 대한 ‘지도’가 그려지고 있어, 그것들을 조금씩 개선해나감으로써 1,000시간까지 실현 가능하다고 보고 있다. 실현된다면 센서류에는 사용할 수 있을 것이다”(이토 CFO).

 -- 끝 --

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