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[연재강좌] 펨토 초 레이저 기술 동향
2006년 1월 1일 (일) 22:09:00 |   지면 발행 ( 2005년 12월호 - 전체 보기 )

이 원고는 일본 《電氣評論》誌에서 번역 전재한 것입니다.펨토 초 레이저 기술 동향(사)레이저기술종합연구소_藤田 雅之(후지타 마사유키)1980년대 후반부터 극단광 펄스(pulse) 발생과 그 증폭에 관계된 기술이 급속하게 발전했다. 현재는 펄스폭은 펨토(10-15) 초 영역에서 아토(10-18) 초 영역으로 향하고, 펄스 피크(peak) 강도는 테라(1012)와트에서 페타(1015)와트 영역에 도달하고 있다. 지금은 테이블 탑 사이즈로 테라와트 급의 고강도 펨토 초 레이저 펄스를 통해 초고강도 전계를 만들어냈다. 턴키(turnkey) 조작의 펨토 초 레이저를 쉽게 얻을 수 있기 때문에 펨토 초 레이저펄스의 극한 특성을 활용한 연구, 산업응용이 다양한 분야에서 발전하고 있다.펨토 초 레이저의 특징은 초고속성과 초고강도 전계이다. 예를 들면 에너지 300μJ, 펄스 폭 100fs(펨토 초)의 펄스 레이저를 직경 20㎛까지 집광하면 레이저광 강도는 1015W/㎠가 된다. 펄스폭이 10ns(나노 10-9초) 레이저로 동일한 고강도를 얻기 위해서는 30J의 에너지를 필요로 한다. 진공중 광 전장 진폭 E(V/m)는 광 강도 I(W/㎠)에 따라E = 2.74×103 ①로 표시한다. 1015W/㎠의 레이저 강도는 8.6 ×1010V/m에 상당한다. 절연체나 반도체에 이와 같은 고강도 레이저를 조사하면, 다광자(多光子) 흡수과정(애벌란시 과정보다 지배적)으로 인해 가전자대에 있는 전자가 전도대로 옮겨지면서, 전도전자가 증가해 금속과 동일한 움직임을 보이는 것으로 생각할 수 있다.<그림1>에 단펄스 레이저의 응용을 산업이용의 관점에서 정리해 봤다. 펄스폭이 1피코(10-12) 초를 밑돌면 레이저와 물질과의 상호작용에 있어서 비선형의 성질이 현저해 지면서 다광자 흡수를 이용한 프로세싱과 열적영향을 무시할 수 있는 미세가공이 가능하다. 이 영역, 즉 펄스폭이 1피코 초 이하인 펄스레이저를 이용한 가공을 일반적으로 펨토 초 가공이라 칭한다. 펄스 주변 에너지를 증가시키고 피크 강도를 향상시키면 레이저 전계를 통해 원자·분자에서 전자를 직접 벗겨내는 일(직접가공)이 가능하다. 학문적으로도 흥미 깊은 현상이 곳곳에서 나오고 있다. 한편 펄스에너지가 낮은 경우는 초고속성과 스펙터클한 광대역 성질을 이용한 새로운 계측기술이 개발되고 있다.여기서는 펨토 초 레이저를 이용함으로써 특징적으로 나타나는 금속 가공현상에 대해 소개한다.펨토 초 펄스란펨토 초라는 시간 펄스는 구체적으로 어떠한 특징을 갖고 있을까. 여기서는 일반적으로 이용되고 있는 100펨토 초라는 펄스폭을 예로 들어 소개한다.1. 펨토 초 펄스 길이<그림2>에 빛이 진행하는 거리로 비교한 시간의 기준을 나타낸다. 빛은 1초 사이에 지구 주위를 7주반 전송·반송할 수 있다. 100펨토 초(10-13초) 사이의 빛은 겨우 30㎛밖에 진행하지 않는다. 머리카락 굵기의 약 1/3이다. 빔 구경이 3㎜라 하면 상(aspect) 대비 100의 박피 모양과 같은 빛이 된다. 이와 같은 빛을 비교적 용이하게 이용할 수 있게 된 것이다.2. 펨토 초 펄스 파워한편 100펨토 초라는 극히 짧은 시간에 에너지를 집중하면 그 피크파워는 방대한 것이 된다. 예를 들면 불과 100mJ 에너지를 100fs로 집중하면 피크파워는 1TW(테라와트)다. 도쿄전력 2001년의 경우 전력소비 피크인 6430만kW(=0.06TW)를 충분히 넘는 순시 파워다. <그림3>에 파워 기준을 나타낸다. 그렇다면 1TW의 빛을 10㎛ 스폿에 집광하면 어떻게 될까. 집광강도는 1018W/㎠가 된다. 빛은 전자파이기 때문에 그 전계 강도로 환산해 2× 1012V/m이 되어 수소원자 중 전자가 느끼는 전계(5×1011V/m)의 수 배에 필적한다. 빛으로 원자로부터 전자를 직접 벗겨내는 일이 가능해 졌다.펨토 초 레이저 장치펨토 초 레이저 기술개발은 눈에 띄게 활발해 레이저의 전문지식이 없어도 작동시킬 수 있는 펨토 초 레이저가 다량으로 시판되고 있다(3000만 엔~5000만 엔 정도). 펄스폭에서는 최단 12fs 장치를 쉽게 얻을 수 있다. PC제어인 턴키 조작을 가능하게 하기까지 완성도는 높아졌다. 대부분이 티탄사파이어(Titanium sapphire)라는 결정을 이용한 레이저(파장 800nm 주변)이지만 조작·안정적인 면에서 뛰어난 섬유레이저(파장1.55㎛, 780nm)도 보급하기 시작했다. 레이저가공의 용도로는 펄스에너지 1mJ 이면 충분하다. 펄스의 반복 주파수로는 최대 300kHz 시스템이 시판되고 있기 때문에 실용 면에서의 전송성능 향상 확인이 연구 수준에서 가능해졌다. 최근 특징으로는 안정된 섬유레이저를 광원으로 내장한 티탄사파이어 레이저 증폭 시스템이 증가하고 있다.단, 직접 섬유레이저로부터 100fs 이하의 초단펄스 발생은 어렵기 때문에 증폭 시스템으로 얻을 수 있는 펄스폭은 100펨토 초보다 길어졌다.평균 파워로는 10W 시스템이 일본 내 제조업체에서 판매할 수 있게 됐다.<그림4>에 연구자들이 실험에 이용한 펨토 초 레이저 장치(평균출력 0.8W, 피크출력 8GW)의 외관을 나타낸다.펨토 초 레이저 응용가장 사람을 매료시킨 것은 열 변성 영역을 무시할 수 있는 레이저 가공이 실증된 점일 것이다. 일례를 <그림5>에 나타낸다. <그림5>(a)는 나노 초 펄스(10ns)로 티탄에 구멍 뚫은 예다. 가공부분 주변에 용해영역을 볼 수 있으며, 다시 응고한 비산물이 주위에 부착돼 있다. 한편, <그림5>(b)는 동일 티탄에 펨토 초 펄스(100fs)를 이용해 구멍을 뚫는 가공을 한 예다. 에지가 날카롭기 때문에 용해영역을 거의 무시할 수 있는 가공을 실현했다. 이 현상을 다음과 같이 간단하게 설명한다.레이저는 주파수가 매우 높은 전자파이며, 그 에너지는 우선 전자에 흡수된다(시간 범위는 레이저 펄스폭 정도~100fs). 이후 에너지를 받은 전자가 주위 이온과 격자를 형성하는 원자와 충돌해 물질을 가열한다(시간 범위는 금속인 경우, 10ps 정도). 격자원자가 충분한 에너지를 얻으면 물질이 플라즈마·용해·증발 된다(시간 범위는 금속인 경우, 수10ps~100ps 정도). 따라서 펨토 초 레이저펄스는 주위에 열이 전달되기보다 짧은 시간인 만큼 고체 표면과 상호작용하면서 <그림5>(b)와 같은 가공이 가능해진다. 한편 레이저 펄스폭이 길면 레이저 에너지는 플라즈마 가열로 소비돼 <그림5>(a)와 같이 용해 영역이 형성되는 것이다.게다가 펨토 초 레이저 가공을 할 때는 레이저 강도(W/㎠)가 높기(즉, 전계강도가 높다) 때문에 흥미 있는 가공특성이 나타나고 있다. 다음과 같이 연구 중 발견된 특징적인 가공현상을 소개한다.1. 최소 한계치 가공레이저 가공특성을 나타내기 위해 횡축을 조사 플루엔스(에너지 조사의 출력곡선)(J/㎠), 종축을 어블레이션 비율로 만든 그래프가 자주 이용되고 있다(어블레이션이란 박리, 제거를 의미하며, 레이저로 인한 가공현상을 어블레이션이라 칭하고 있다). 연속적이지 않은 실험 데이터에서 정확한 가공 최소 한계치를 구하는 것은 불가능하기 때문에 구성 점을 밖에서 삽입해 가공 최소 한계치를 구해왔다. 이와 같은 방법으로 구해진 가공 최소 한계치의 펄스 폭 의존성으로부터 레이저 펄스폭이 1ps 이하에서 가공 한정치의 의존성이 변화된다는 사실이 발견되면서 이후 펨토 초 가공현상의 연구로 전개됐다.프랑스 Sacley 연구소의 Hashida 측은 펨토 초 어블레이션 비율의 조사 플루엔스 의존성을 측정해 6자리나 되는 어블레이션 비율 변화를 실험으로 밝혀냈다. 그 결과를 <그림6>에 나타낸다. <그림6>은 동을 타깃으로 했을 때의 펨토 초 레이저 어블레이션 특성을 양대수(兩對數)로 표시한 그래프이다. 종래는 편대수(片對數) 그래프에서 데이터를 직선으로 근사하게 한정치를 구했다. 그러나 <그림6>에 보이듯이 양대수로 표시함으로써 실험 데이터로부터 한정치(어블레이션 비율이 급격하게 변화하는 점)는 조사 플루엔스의 변화와 함께 3개소에 나타난다는 사실이 확인됐다. 주목할 만한 것은 2번째의 한정치 이며, 조사 플루엔스의 수%의 변화가 1자리 이상의 어블레이션 비율 변화로 이어졌다. 이와 같은 한정치에 가까운 플루엔스로 시료를 조사함으로써 미세가공이 가능해져 이를 한정치 가공이라 부르고 있다.한정치 가공의 예로 <그림7>에 모발의 구멍을 뚫는 가공사진을 나타낸다. 이 때 조사 스폿 크기는 직경 100㎛이지만 가공 구멍 직경은 약 20㎛이다. 모발은 금속과 비교해 열변성이 일어나기 쉽지만, 구멍 주위의 약간의 부분을 제외하면 모발 표면에 조직의 변화는 볼 수 없다. 가장 작은 한정치를 이용하면 파장보다 충분히 짧은 서브미크론 규모의 가공이 가능해 진다.2. 나노 주기 구조형성펨토 초 레이저를 가공이 발생하는지의 여부를 약한 집광강도로 물질에 조사하면, 표면에 서브미크론의 미세 주기구조가 자발적으로 형성된다. 그 주기는 레이저 파장보다 짧다는 사실이 보고 됐다. <그림8>에 펨토 초 레이저 조사로 인해 생성된 자기형성 주기구조 사진을 나타낸다. 레이저 간섭 패턴을 이용하지 않고 타깃 상에서 레이저를 검출하는 것만으로 스폿 내에 회절격자 구조를 큰 면적으로 만들어 낼 수 있다. 가시광 회절로 인한 무지개 색 반사를 육안으로 확인할 수 있다는 점에서 조사영역 전반에 걸쳐 구조의 규칙성이 높다는 점을 알 수 있다. 구조의 방향성은 레이저 편광방향으로 강하게 의존하고 있기 때문에 펨토 초 가공현상에 레이저 전계가 크게 영향을 미치고 있다는 것을 증명한다.이번 주기 구조의 상 비율을 조사하기 위해 동(銅) 바늘 끝에 레이저선반의 원리로 날카로운 볼트 형상의 가는 선 제작을 시도했다. <그림9>에는 제작된 직경 3㎛, 길이 200㎛ 볼트모양의 가는 선의 주사형 전자현미경 관찰사진을 나타낸다. <그림9> 우측 아래는 끝 부분을 확대한 것으로 볼트 모양의 가는 선 피치는 약 260nm, 깊이 약 500nm였다.최근 이 주기구조에 표면마찰 저감효과가 있다는 사실이 보고 됐다. 펨토 초 펄스로 인해 유리 내부에 형성된 도트(굴절률 변화 부분) 속에도 파장보다 짧은 주기구조가 관찰됐다.3. 나노 입자 생성 응용대기중에서 물질의 어블레이션을 실행하면 발생한 물질이 응고돼 미립자가 되어 비산한다. 펄스 폭 100fs, 파장 800nm의 레이저를 이용해 동을 대기중에서 어블레이션시켜 비산미립자를 기판 상에 포착하는 것을 시도했다. 기판의 확대사진을 <그림10>에 나타낸다. 기판 상에 폭 100nm 이하의 금속선으로 연결된 나노 입자 구조물이 관찰됐다. 금속·합금·반도체 등을 타깃으로 했을 때 생성되는 나노 미립자의 특성이 밝혀지면 향후 흥미 있는 응용이 전개될 것으로 기대된다.4. 반도체 풀림 응용펨토 초 레이저를 이용한 실험기술 진보에 따라 비열적인 레이저 유기구조변화의 연구가 비약적으로 발전했다. 물질 구조가 레이저 조사로 인해 불안정해 지는 데는 ① 레이저로 전자에 부여한 에너지가 이온 열운동으로 변환된다(피코 초 이상 시간 규모). 또는 ② 레이저로 인해 많은 전자가 속박상태에서 여기 돼 원자 내부의 반발력으로 순간적인 격자 변형을 초래(서브피코 초 시간 범위)하는 2가지의 원리를 생각할 수 있다. 이들 현상을 한층 이해하고 활용함으로써 빛으로 인한 물질의 전자적·구조적 제어기술이 발전될 것으로 기대된다. 순수하게 전자운동만을 유기하는 펨토 초 레이저는 초고속 상변화 제어를 가능하게 할지도 모른다. 반도체가 격자변화를 수반하지 않고 금속 작용을 하면 펨토 초 광 스위칭 기술로 발전될 것으로 기대된다.최근 펨토 초 레이저는 다양한 연구 분야에서 유용한 툴로서 중요성을 높이고 있다. 펨토 초 레이저 펄스의 특징인 초고속성과 초고전계를 이용한 가공분야의 연구가 진전되고 있다. 펨토 초 레이저 어블레이션 실험인 경우 복수가 현저한 한정치 존재, 재현성이 좋아 예측 가능한 어블레이션, 나노 주기구조의 자기형성 등 이제까지의 레이저 어블레이션에서는 볼 수 없었던 현상이 관측돼 미세가공분야에 대한 응용이 기대된다. 대기중에서 펨토 초 레이저 어블레이션으로 발생한 암설은 나노 미립자라는 사실이 관측되고 있어 새로운 나노 테크의 방법으로 흥미가 깊다. 초고속 비열적 프로세스는 반도체의 상변화를 자유롭게 제어할 수 있는 가능성이 있어 산업응용에 대한 전개를 모색하고 있다.본고에서는 주로 펨토 초 레이저 조사를 통해 발생하는 특징적인 가공현상을 중심으로 레이저 응용을 주제로 소개했는데, 펨토 초 레이저는 이제까지 없던 프로세스 툴·계측 툴로서 정보통신, 나노 테크놀로지, 의료, 환경 등 광범위한 분야에서 이용, 새로운 레이저 응용의 전개를 촉구할 것으로 기대된다.

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