[연재강좌] 최근의 광기술

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[연재강좌] 최근의 광기술

2005년 7월 3일 (일) 22:32:00 | 지면 발행 ( 2005년 6월호 - 전체 보기 )

이 원고는 일본 《電氣評論》誌에서 번역 전재한 것입니다.광기술의 현상과 전망빛은 파동성이다’와 더불어 공간적, 시간적으로 적당한 집중성을 갖는다. 파동성의 성질에서 전자와 기계, 물질과는 선을 그리면서 날아다니는 것이 통상의 형태이며 정보 전송, 원격· 비접촉 계측·가공 등에 위력을 발휘한다. 파동성의 성질을 보면 에너지 덩어리로서 뿐만이 아니고 스펙트럼 분해로 인한 다양한 계측, 파장다중으로 인한 통신 대용량화 등이 가능해 진다. 한편 빛은 멈춰 세워 놓아야 한다, 극한적으로 작게 가둬두는 것은 곤란하다. 때문에 빛을 이용하는 데 있어서는 전자와 물질의 연결을 빼놓을 수 없다. 이와 같은 의미에서 광전변환 등에 관련된 재료·디바이스 기술이 이용기술로는 중요하다.빛의 이용기술 분야를 분류하면 정보의 전송과 인터페이스에 관계하는 ① 정보통신·처리기술, ② 정보기록·읽기 기술, ③ 표시·입출력기술, 원격·비접촉성 등을 이용하는 ④ 분석·계측·진단기술, 에너지와 관련된 ⑤ 가공 기술·프로세스기술 ⑥ 태양전지 등을 들 수 있다.앞으로 중요한 관점을 몇 가지 기술한다. 우선 단(短)펄스의 기술이다. 레이저광의 가장 큰 특징이 되는 부분이다. 그에 더해 펄스 내의 광파 내 위상제어기술, 광 펄스는 기존에 파워분석으로밖에 이용할 수 없었지만 최근 위상의 검출·제어기술이 개발되면서 이를 이용해 펄스 폭도 아토초(1아토초=10-18초) 영역에 들어서고 있다. 고정밀도 계측, 주파수 표준, 물질의 제어(이온화, 전류 등) 등에 새로운 이용방법이 나올 것으로 기대된다. 양자 정보디바이스의 기입·읽기를 위해서도 이와 같은 기술이 필요할 것이다. 마이크로와 마찬가지로 파동성으로 충분하게 사용할 수 있기를 기대한다.다음으로 나노 구조를 이용한 광 디바이스의 고도화 기술이다. 양자도트로 인한 고효율 반도체 레이저, 파장 변환디바이스 등이 실현되고 있다. 나노구조 속에서는 여기자의 위상보지시간이 길기 때문에 커히렌트(단결정터널접합) 제어를 이용한 고속 광 스위치, 양자논리소자 등이 가능해 진다. 포토닉 결정기술은 다양한 가능성을 갖는데 광회로의 초소형화, 통신에서 특히 요구되는 광 버퍼 메모리의 실현이 기대된다.재료의 관점에서는 종래 화합물 반도체나 유리등의 무기재료가 가장 많이 사용되고 있는데 어디에서도 네트워크로 접속 가능한 유비쿼터스 정보화 사회로 치닫는 가운데 경량, 플렉시블(flexible) 등의 중요도가 높아지고 있으며 때문에 유기재료가 주목받는다.사회적 필요성을 높이고 있는 바이오·의료분야에서는 광기술뿐만 아니라 나노 테크놀로지, 정보기술 등의 툴 기술 도입은 아직까지 충분치 않다. 고속의 바이오센싱기술, 저침습성을 살린 의료진단·치료기술 등에서 개척해야할 부분은 풍부하게 남아있다.다음 연재에서 구체적이고 다양한 기술 소개가 있겠지만 여기서는 산업기술종합연구소 광기술 연구부문에서 추진되고 있는 토픽을 세 가지 소개한다. 빛의 시간적인 집중 즉, 단 펄스 기술에 관해 두 가지 예를 소개한다. 기존 광 펄스는 기술적으로는 거의 파워 분포만으로 이용되어 왔지만 최근 펄스폭이 5fs 이하가 되어 이것은 전계진동 2~3사이클 정도이기 때문에 펄스 내부의 광파 진동위상(펄스 피크와의 관계)이 문제가 되어왔다. 이것은 물질과의 상호작용에 영향을 주고, 복수 펄스를 합성해서 더욱 단 펄스화할 때 문제가 되기 때문이다. 최근 펄스 내 광파 위상의 검출, 거듭 제어기술이 발달됐다. 두 번째 예로는 펄스의 타이밍 요동의 계측기술이다. 단 펄스는 주기적인 반복 펄스로 사용하는 경우가 많은데 그 타이밍은 통상 많이 흔들리고 있으며 시판되고 있는 레이저에서는 펄스 폭이 2~3자리 크게 움직인다. 이와 같은 정밀한 계측기술에 관해서 소개한다.

다른 한 예는 물질에 관한 것이다. 빛의 이용으로는 다양한 재료가 사용됐다. 그 중에서 수발광 등의 액티브한 디바이스에는 보통 무기반도체가 사용되어 왔지만 최근 유기재료·디바이스가 주목을 받으며 급속한 발전을 보이고 있다. 유비쿼터스 정보화 사회를 위한 저 코스트, 플렉시블한 디바이스의 필요성, 넓은 면적 디바이스의 필요성을 늘리고 있으며 유기반도체의 발광효율·도전율 향상을 비롯해 절연막이나 봉지막 개발이 급속하게 진행되고 있다. 그 일면을 소개한다.레이저 광 펄스의 펄스 내 광파위상(CEP) 제어레이저로 인한 초단 광 펄스의 발생과 조작의 기술은 광 정보통신을 짊어진 매체로서 또한 다양한 광 계측에서 레이저 가공 등 파워 응용에도 이용 될 수 있는 기반이 되는 기술이지만 최근 고체의 모드 동기 레이저를 매체로 기존 레벨을 훨씬 초과하는 정밀도로 펄스광의 파라미터를 제어하고 이용하려는 기술이 출현했다.이것은 아토초 진공자외광 발생, 초고속 비선형 현상의 계측, 광 주파수 표준의 응용과 측정 거리의 정밀계측 등 첨단 연구에 이용되고 있는 아직 요람기의 기술이지만 인류가 이용할 수 있는 빛의 성질을 한 단계 더욱 레벨 업 시키는 과정일 수도 있으며 이처럼 10년 사이에 초단펄스 레이저가 연구실에서 산업기술로 발전한 것과 마찬가지로 장래 응용이 기대되고 있다.여기서는 산업기술종합연구소의 연구그룹 성과를 섞어서 기술 현상으로 예상되는 전개를 간단하게 설명한다.1. 레이저 출력의 펄스 내 광파위상모드동기 티탄사파이어 레이저에서는 최단 5fs(펨트초:10-15초) 전 후 초 단광 펄스를 얻고 있는데 이때 광전자계의 진동주기는 약 2.7fs이고 펄스파형과 전자계 진동의 상대적 관계를 나타내는 펄스 내 광파위상(Carrier-envelope Phase: CEP라고도 불리며 펄스 피크에서 위상 Ø으로 표시한다)이 펄스 특성의 중요한 파라미터가 됐다. <그림1>은 레이저 발진기로부터 출력 펄스열의 개념도이며, 펄스의 타이밍은 강도 파형과 대응하는데 Ø의 값은 군속도(group velocity)와 위상속도(phase velocity)의 차이에 기인하는 1라운드 트립 마다 위상의 균열을 낳고 있다. 기존 Ø는 항상 고속으로 변화하는 데다 환경이나 레이저 잡음의 영향도 받기 때문에 실질적으로 불안정했다. CEP 변화를 검출하고 제어하는 일은 기본적이지만 곤란한 과제였는데 2000년, 미국 JILA(NIST/콜로라드 대)에서 처음으로 성공했으며 그 위에 독일 맥스프랑크 연구소, 산업기술종합연구소 등이 중심이 되어 주파수 영역 및 시간 영역의 양 영역에서 연구가 적극적으로 추진되고 있다.이와 같은 기술의 응용은 주파수 영역에서는 표준 연구관련, 그리고 시간 영역에서는 초고속 현상의 해명과 조작이 흥미의 중심이 됐다.2. 증폭의 CEP 제어이미 실현되고 있는 대부분의 초단 광 펄스 응용을 하기 위해서는 발진기 출력 펄스의 증폭이 필요해 지는데 앞서 서술한 CEP의 고정 기술이 증폭기를 포함하는 일반 시스템에서도(환경이나 레이저 잡음의 영향 아래) 전개 가능한지의 여부는 중요한 문제였다.이러한 면에서는 단일 펄스에 대한 펄스 내 광파위상의 계측법이 산업기술종합연구소에 의해 처음으로 고안되고, 이어서 2003년 비엔나 공대 Baltuska에 의해 증폭 부문에서 CEP 고정증폭을 처음으로 실증, 2004년 결단에 의해 고강도화가 가능한 회절격자(diffraction grating) 스트레처를 이용한 챠프 펄스증폭기에서 CEP 고정증폭이 보고 됐다. 현재, 첨단연구용도에 초단펄스 레이저 시스템을 개발·이용하는 많은 연구기관에서 CEP 고정기술 도입이 추진되고 있으며 향후 우선 고강도광하에서 이온화 등 물질과정 연구에서 CEP조작 효과가 분명해질 것으로 보인다.3. 다파장 광 펄스의 정밀제어초단 광 펄스의 CEP 제어 기술이 실현됐다는 점에서 광 펄스 취급이나 이용법에도 새로운 전개가 기대되고 있는데 그 중요한 예가 복수광원에 의한 펄스 합성이다. 펄스 타이밍과 CEP가 완전하게 컨트롤된 다파장 광 펄스를 얻을 수 있다면 마치 일렉트로닉으로 전기신호를 조작하는 듯한 방법으로 광 전계를 가산하고, 모노 사이클의 파형이나 직사각형, 삼각파 등을 발생할 수 있을지 모른다. 이러한 방향에서 시도한 기술은 산업기술종합연구소가 선도적으로 개척하고 있으며 코모리, 요시토미 등은 광 전계 진동 주기에 비교해도 충분한 정밀도의 0.1fs급으로 펄스 타이밍과 CEP 위상이 컨트롤된 복수 펨트초 펄스광원을 보고했다. <그림2>에는 800nm와 1250nm를 각각 중심파장으로 하고 타이밍과 CEP 위상을 정밀 동기할 수 있는 2파장 펨트초 펄스 레이저의 구성 예를 가리킨다.광펄스 제어 기술이 현시점에서는 이제 막 실증된 단계지만 앞으로 구체적인 계측과 물질조작에 응용하기 위한 성능향상과 새로운 특성을 활용한 이용법의 탐색이 진전될 것으로 기대하고 있다.

고반복 광 펄스의 타이밍 잡음 계측지속시간이 피코펨트초(10-12,10-15초) 영역의 광 펄스열을 발생할 수 있는 모드동기 레이저의 성능, 신뢰성이 향상되어 연구용 툴의 역할만이 아닌 광시 분할다중방식의 광 펄스 통신 시스템, 광 주파수 표준, 광 샘플링 계측 등의 산업응용이 진전되고 있다. 산업응용으로는 펄스의 지속시간이 짧다는 문제 외에 펄스가 전기 클락 신호와 정확하게 동기해서 타이밍 잡음이 극히 적은 것이 요구된다. 이와 같은 요청에 부응하기 위해 타이밍 잡음이 고정도계측기술과 위상동기로 인한 타이밍 안정화 기술의 개발이 진행되고 있다. 산업기술종합연구소에서는 ‘펨트초 테크놀로지의 연구개발’ 프로젝트 (1995~2004년)를 두고 광 펄스의 타이밍 잡음 계측 및 안정화 연구를 계속해 왔다. 본고에서는 프로젝트에서 개발한 계측기술의 개요와 측정 예를 소개한다.광 펄스 타이밍 잡음계측으로는 1986년에 von der Linde에 의해 제안된 SSB (Single Side Band) 위상 잡음 계측법이 널리 이용됐다. 이 방법은 마이크로파, 미리파 영역의 계측법에 준거해 광 펄스 강도를 전기신호로 교환한 후 스펙트럼 분석으로 타이밍 잡음의 크기를 간접적으로 구하는 것이다. 또한 이 방법은 비교적 간단하게 실행할 수 있지만 해석 주파수 범위(100㎐~100㎒)와 다이내믹 레인지(100dB 정도)로 제한이 있으며 진폭 잡음과 타이밍 잡음의 분리, 광 검출기가 응답하지 않는 고 반복 펄스(＞100㎓)의 광·전기변환 등이 문제가 됐다.위의 문제를 극복하고 고정도평가를 실현하기 위해 집필자들은 시간 영역의 계측방법(시간영역 복조법, 타임 인터벌 해석) 및 고반복 광 펄스의 강도를 저주파 전기신호로 변환하는 광전자 하모닉 믹서를 개발했다. 종래의 SSB 위상 잡음 계측법이 주파수 영역의 방법인데 반해 이들 방법은 시간 영역으로 계측할 수 있다는 것이 특징이다. 상기의 계측법을 조합시켜 이용함으로써 반복 주파수가 15㎐~160㎓의 범위인 광 펄스에 대해 해석 주파수 범위 2.5㎒~18.6㎒, 다이내믹 레인지 300dB 이상의 계측이 가능해졌다.

<그림3>은 반복 주파수 160㎓의 충돌 펄스모드 동기(CPM) 반도체 레이저에 대한 타이밍 잡음의 측정결과다. CPM 레이저는 초고속 광통신용의 광원으로 개발되어 공진기인 중앙부에 가포화 흡수영역을 배치한 구조를 갖고 이 영역에 역 바이어스 전압을 인가해 수동 모드 동기를 실행한다. 일반적으로 반도체 레이저는 공진기의 체적이 적기 때문에 자연방출광의 영향을 받기 쉬워서 수동모드 동기 상태에서는 타이밍 잡음이 매우 크다. 또한 반복 주파수가 높기 때문에 전기적 제어를 실행하기는 곤란하다. 광 펄스와 전기신호와의 동기, 및 타이밍 잡음의 저감을 동시에 실현하기 때문에 주입 동기에 따라 제어했다. 즉 반복 주파수가 정수분의 1(실험에서는 40㎓)의 능동모드 동기(AML) 반도체 레이저를 준비하고 그 출력 광 펄스를 CPM 레이저에 주입함으로써 동기와 안정화를 실현할 수 있다.<그림3>의 가로축은 요동 주파수, 세로축은 위상잡음 파워 스펙트럼 밀도와 타이밍 지터를 나타낸다. 이 결과에서 주입 동기로 인해 타이밍 잡음이 대폭 감소한 것을 알 수 있다. 또한 주파수 100㎑ 이하 영역에서는 CPM 레이저가 AML 레이저로 정확하게 동기 되어있지만 주파수 100㎑ 이상 영역에서는 동기가 충분하다는 것을 가리키고 있다. 파워스펙트럼 밀도에서 계산한 타이밍 지터는 1.8ns(수동모드 동기), 340fs(주입동기)이며, 주입동기에 따른 제어를 실시함으로써 비트 레이트가 160Gbit/s의 초고속 광통신의 광원으로 이용할 수 있는 레벨에 달했다.유기 EL 유기 트랜지스터정보화 사회가 고도화되는 가운데 언제 어디서든 정보를 손에 넣을 수 있는 유비쿼터스 정보가전에 대한 필요성이 높아지고 있다. 그 중에서도 유기 전계발광(EL)소자, 박막 트랜지스터(TFT)에 대표되는 유기 디바이스는 전자 페이퍼 등의 플렉시블 정보가전의 응용을 기대하고 있다. 유기재료는 무기재료와 비교해 가볍고 부드럽다는 특징이 있다. 유기 EL 디스플레이는 이미 휴대전화나 디지털 카메라용 디스플레이로서 상품화 된 것도 출시하고 있다.산업기술종합연구소에서는 유기 EL 소자에 광전변환(유기감광체: OPC) 층을 편입한 ‘광 응답형 유기 EL소자’ 개발에 착수했다. 소자에 빛을 조사하면 OPC 층에서 광 캐리어가 발생해 그 캐리어가 효과적으로 유기 EL층에 주입되면서 휘도가 향상된다. <그림4>에 발광 사진을 나타낸다. 근적외광(780nm)을 3~6V 인가한 소자에 조사하면 조사를 받은 곳에만 녹색 발광한다(광 스위칭 모드: <그림4>(좌). 6V 이상 소자에 인가하면 소자전체가 녹색 발광하는데 근적외광이 조사된 곳은 발광이 더욱 증강한다(광 증강모드: <그림4>(우). 향후 OPC 층의 가시역에 대한 고감도화를 실시함으로써 환경의 밝기를 감지하고 어두운 곳에서는 저 휘도로, 밝은 옥외에서는 외광을 흡수해 고 휘도로 빛나는 ‘명순응 발광소자’의 개발을 생각하고 있다.

유기 EL 등 디스플레이 구동부와 태그용 연산회로로서 유기 TFT가 주목을 받고 있다. 특히 용매에 가용한 유기반도체 개발은 인쇄법에 따라 저 코스트· 넓은 면적에서 유기 TFT가 제작 가능해지기 때문에 최근 활성화되고 있다. 산업기술종합연구소에서는 알킬 쇄를 지닌 C60유도체 C60MC12를 새롭게 개발했다. 알킬 쇄를 도입함으로써 용매로 가용하게 되고 도포법에서도 고결정성 박막 제작이 가능해졌다. <그림5>에 C60MC12-TFT 특성을 나타낸다. 전자이동도는 0.067㎠/Vs이며 도포법으로 제작된 n형 유기 TFT로서는 최고 값을 보였다. 본 성과에 따라 도포법으로 인한 p형 반도체(폴리치오펜)와 같은 정도의 전자 이동도를 달성했기 때문에 유기반도체인 경우에 p형과 n형이 모인 격이 된다. 이로써 회로설계인 경우에도 자유도가 향상됨과 더불어 플라스틱 등 플렉시블 기판 위의 인쇄법에 따른 유기 디바이스 실용화가 가속될 것으로 기대된다. 게다가 이들 도포법에 따른 유기 디바이스 기술을 응용해 히타지와의 공동개발로 유기 TFT 구동의 풀 컬러 액정 디스플레이(대각 1.4인치, 80X80dpi)의 개발에 성공했다.좋은 기술이 만들어져도 그것을 이용하는 산업분야가 침체되면 사회에 도움이 될 때까지 기다리지 않고 다시 다음 단계의 연구개발 투자를 하지 않게 된다.일본의 (재)광산업진흥협회의 통계에 의하면 광산업의 국내생산액은 2000년도를 피크로 버블붕괴로 인해 잠시 침체됐지만 서서히 회복해 2004년도에는 2000년도를 웃도는 예측이 이루어지고 있다. 광분야의 재 육성을 기대한다.