강철을 녹일 수 있는 초소형 초고휘도 레이저

 (spectrum.ieee.org)
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  • Kyoto University 팀의 PCSEL은 반도체 레이저의 낮은 밝기 한계를 넘어, 3mm 크기에서 가스·파이버 레이저급 밝기로 강철 절단까지 시연한 광결정 표면방출 레이저임
  • 성능의 핵심은 반도체 내부 광결정 층으로, 나노미터 구멍 배열이 빛을 2차원 정상파로 묶고 기본 모드만 증폭해 강하고 좁은 빔을 만듦
  • 2023년 PCSEL은 1GW/cm²/sr 밝기, 50W 연속 출력, 3mm 방출 지름, 1/20도 빔 발산으로 100μm 두께 금속판을 절단함
  • 자동차 부품 제조 같은 산업용 가공에는 킬로와트급 출력이 필요해, 9개 3mm PCSEL 배열이나 1cm 방출 영역 확장이 다음 과제로 남아 있음
  • 고휘도 PCSEL은 제조뿐 아니라 소형 lidar, 온칩 빔 조향, EUV 리소그래피, 핵융합, 광추진 우주비행까지 겨냥하지만 더 높은 출력·효율·열관리가 필요함

Society 5.0이 요구하는 레이저

  • 일본 정부가 2016년 내놓은 Society 5.0 구상은 주문형 제조, 로봇 돌봄, 자율 택시·트랙터 같은 기술을 포함함
  • 이 환경의 레이저는 일상 기기에 들어갈 만큼 작고 저렴해야 하며, 제조가 단순하고 에너지 효율이 높으며 대량 맞춤화에 맞게 정밀 제어되어야 함
  • 반도체 레이저는 크기와 비용 면에서 유리하지만, 밝기가 낮다는 한계가 큼
    • 레이저 밝기는 단위 면적·단위 입체각당 광출력으로 정의됨
    • 절단·용접·드릴링 같은 재료 가공에는 대략 1GW/cm²/sr 수준이 필요함
    • 상용 반도체 레이저의 밝기는 이 수준보다 훨씬 낮음
  • lidar에서도 밝기는 비용과 성능을 좌우함
    • 장거리 또는 고속에서 정밀 측정하려면 빔이 좁게 집중되어야 함
    • 현재 고급 lidar는 100개 이상의 반도체 레이저와 수작업으로 설치된 렌즈 구성을 사용해 비용이 높아짐

기존 레이저와 반도체 레이저의 병목

  • CO₂ 레이저와 파이버 레이저는 산업 응용에서 초고휘도 빔을 낼 수 있지만, 반도체 레이저보다 크고 비싸며 에너지 효율이 낮고 제어도 어려움
    • 고출력 CO₂ 레이저는 냉장고만 한 크기까지 커질 수 있음
  • 기존 반도체 레이저는 보통 활성층의 가느다란 스트라이프를 따라 빛을 증폭하고, 빔은 칩의 앞쪽 모서리에서 나옴
  • 출력을 키우려면 방출 영역을 넓혀야 하지만, 넓어진 스트라이프에서는 빛이 지그재그 경로로 진동하는 고차 횡모드가 생김
    • 고차 모드는 빔을 얼룩지고 퍼지게 만듦
    • 기존 반도체 레이저의 밝기는 대략 100MW/cm²/sr 수준에서 한계에 도달함

광결정으로 빔을 좁히는 방식

  • PCSEL은 일반 반도체 레이저처럼 활성층과 클래딩 층을 가지지만, 내부에 나노미터 구멍이 2차원으로 배열된 광결정 층을 추가함
  • 광결정은 반도체가 전자 흐름을 제어하듯 빛의 흐름을 제어함
    • 구멍, 큐브, 기둥 같은 구조가 빛의 파장 규모로 주기적으로 배치됨
    • 굴절률이 주기적으로 변하면서 특정 파장과 방향의 빛이 반사·간섭함
  • PCSEL의 기본 광결정은 2차원 정사각 격자임
    • 예를 들어 940nm에서 동작하는 갈륨비소 레이저는 내부 파장이 약 280nm임
    • 기본 갈륨비소 PCSEL에서는 구멍 간격을 약 280nm로 맞춤
  • 구멍 배열은 작은 거울처럼 빛을 뒤쪽과 옆쪽으로 휘게 만들고, 여러 회절이 결합해 2차원 정상파를 형성함
    • 활성층은 이 정상파를 증폭함
    • 일부 빛은 위아래로 회절되어 칩 표면에서 단일 파장 빔으로 방출됨
  • PCSEL은 기존 edge-emitting 레이저와 달리 표면에서 빛을 내며, 방출 영역이 넓고 대체로 둥글어 발산각이 낮은 고품질 빔을 만들 수 있음

밝기를 키운 세대별 설계

  • 1998년 Kyoto University 팀은 첫 PCSEL을 만들었고, 이후 고휘도 동작을 위한 설계를 계속 다듬음
  • 2014년에는 삼각형 구멍의 정사각 격자를 쓰는 PCSEL을 보고함
    • 방출 영역은 200×200μm
    • 연속 동작에서 약 1W 출력
    • 빔 발산각은 약 2도
    • 기존 반도체 레이저의 일반적인 30도 이상 발산보다 훨씬 좁음
  • 단일 격자 설계는 약 200μm보다 커지면 고차 횡모드가 나타남
    • 기본 모드에서는 빛의 세기가 중심에 집중됨
    • 고차 모드에서는 두 개, 세 개, 네 개 이상의 세기 피크가 생김
    • 작은 방출 영역에서는 고차 모드의 피크가 가장자리에 있어 빛이 측면으로 새고 진동하지 않음
    • 방출 영역이 커지면 고차 모드가 진동할 공간이 생김
  • 연구팀은 이를 막기 위해 이중 격자를 도입함
    • 원형 구멍의 정사각 격자를 타원형 구멍의 두 번째 정사각 격자에서 1/4 파장만큼 이동시킴
    • 회절된 빛 일부가 상쇄 간섭을 일으켜 고차 모드의 세기 피크를 약화·분산시킴
  • 이중 격자로 제작한 1mm 지름 PCSEL은 연속 동작에서 10W 빔을 냄
    • 발산각은 0.1도
    • 기존 반도체 레이저가 가능한 밝기보다 3배 이상 밝음
    • 같은 크기의 기존 레이저와 달리 단일 모드로 진동함

3mm PCSEL의 강철 절단

  • 더 큰 지름에서는 이중 격자만으로 고차 모드를 충분히 억제하기 어려움
  • 연구팀은 고차 모드가 레이저에서 약간 비스듬히 빠져나간다는 점에 맞춰 후면 반사기를 조정함
    • 이전 세대에서 후면 반사기는 아래로 회절된 빛을 위쪽 방출면으로 되돌리는 역할만 했음
    • 반사기의 위치와 광결정 구멍의 간격·형상을 조정해, 빠져나가는 빛이 광결정 층의 2차원 정상파와 간섭하도록 만듦
    • 비스듬히 나가는 파동일수록 더 많은 에너지를 잃어 고차 모드가 선택적으로 차단됨
  • 2023년 개발된 PCSEL은 가스·파이버 레이저와 맞먹는 1GW/cm²/sr 밝기에 도달함
    • 방출 지름은 3mm
    • 연속 출력은 최대 50W
    • 빔 발산각은 1/20도
  • 이 장치는 100μm 두께 금속판에서 원판을 잘라내며 강철 절단을 시연함

킬로와트급 산업 응용을 향한 과제

  • 강철 절단 시연은 인상적이지만, 산업 시장에서 경쟁하려면 더 높은 출력이 필요함
    • 자동차 부품 제조에는 대략 킬로와트급 광출력이 필요함
  • 킬로와트급 PCSEL은 두 방식으로 접근 가능함
    • 3mm PCSEL 9개를 배열함
    • 현재 장치의 방출 영역을 1cm로 확장함
  • 1cm 크기에서는 고차 모드가 다시 나타나 빔 품질을 낮출 수 있음
    • 그럼에도 고출력 가스·파이버 레이저와 비슷한 밝기를 낼 수 있어, 더 큰 기존 레이저 일부를 대체할 수 있음
  • 1cm PCSEL이 실제 변화를 만들려면 고차 모드 억제가 필요함
    • 연구팀은 광결정 구조와 반사기 위치를 미세 조정하는 방법을 고안함
    • 아직 실험실에서 테스트하지 않았지만, 이론 모델은 10~100GW/cm²/sr 밝기 가능성을 보임

효율과 열관리

  • 고출력 응용에서는 에너지 효율과 열관리가 성능만큼 중요함
  • 최적화 전 PCSEL의 wall-plug 효율은 이미 30~40% 임
    • 이는 대부분의 CO₂ 레이저와 파이버 레이저보다 높음
  • 연구팀은 효율을 60% 까지 높일 수 있는 경로를 찾음
  • 현재 실험실에서 쓰는 수랭 기술은 1,000W, 1cm PCSEL에 충분할 것으로 봄

lidar와 온칩 빔 조향

  • 고휘도 PCSEL은 자율주행차와 로봇용 센서 시스템을 더 작고 저렴하게 만드는 데도 쓰일 수 있음
  • 최근 제작한 lidar 시스템은 500μm PCSEL을 사용함
    • 펄스 동작에서 약 20W로 구동됨
    • 30m 거리에서도 스폿 크기가 5cm에 그침
    • 외부 렌즈가 없는 소형 lidar 시스템으로는 이례적인 해상도임
  • 프로토타입은 웹캠 정도 크기이며, 로봇 카트에 장착해 공학 건물 안에서 사람과 서로를 따라가도록 프로그래밍됨
  • 별도 연구에서는 PCSEL이 여러 빔을 내고, 전자적으로 서로 다른 방향을 가리키도록 제어할 수 있음을 보임
    • 광결정 층의 구멍 위치와 크기를 바꿔 온칩 빔 조향을 구현함
    • 궁극적으로 lidar의 기계식 빔 조향을 대체할 수 있음
    • 광검출기까지 같은 칩에 통합하면 완전 전자식 내비게이션 시스템을 매우 작고 저렴하게 만들 수 있음

EUV, 핵융합, 광추진까지의 장기 목표

  • 장기적으로는 3cm 레이저에서 10kW 초과 출력과 최대 1,000GW/cm²/sr 밝기를 목표로 함
  • 이 수준은 현재 존재하는 어떤 레이저보다 밝은 수준임
  • 극고휘도 PCSEL은 EUV 리소그래피 장비에서 플라즈마 펄스를 만드는 대형·고전력 CO₂ 레이저를 대체해 칩 제조 효율을 높일 수 있음
  • 핵융합에도 응용 가능성이 있음
    • 핵융합은 완두콩 크기의 연료 캡슐에 수조 와트급 레이저 출력을 쏘는 과정을 포함함
  • 광추진 우주비행도 잠재적 응용처임
    • 빛으로 가속된 탐사선은 먼 별까지 수천 년이 아니라 몇십 년 만에 도달할 수 있음

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GN⁺   [-]
Hacker News 의견들

  • 기사에서 더 강력하고 작은 레이저의 산업적 영향을 잘 짚었지만, PCSEL이 소규모 작업장 시장까지 내려오길 기대하게 됨
    집이나 작은 공방에서 금속을 자를 수 있는 저렴한 레이저가 있으면 정말 유용할 듯함. 물론 레이저답게 은근히 위험하기도 함

    • 금속을 제대로 자르려면 강력한 레이저만으로는 절반밖에 안 됨
      레이저는 금속을 녹일 뿐 절단 틈에서 빼내지는 못하고, 일부 금속은 일반 공기 중에서 반응해 방출 광학계 쪽으로 튀어 오를 수 있음. 그래서 절단부에 압력 가스를 불어 넣어 제거해야 함
      얇은 재료나 일부 금속은 아주 깨끗하고 건조한 압축 공기를 많이 불어 넣는 것만으로도 괜찮지만, 다른 경우에는 특정한 반응성·비반응성 가스나 혼합 가스가 필요함. 플라즈마 절단은 보통 공기로 절단부를 날려 보내고, 산소 절단은 과잉 산소로 반응시켜 날려 보내는 식임
      레이저는 절단 폭이 극도로 좁아서 더 까다롭고, 그래서 소모품 비용이 의외로 커질 수 있음. 더 강한 레이저는 광학 장치를 약한 진공에서 돌려야 하기도 하는데, 먼지와 공기 자체가 만든 플라즈마가 비싼 부품을 깎아먹기 때문임
      부산물도 문제임. 유기물은 흡입하거나 이웃 근처 지상에 배출하기 좋지 않은 온갖 유기물 비슷한 물질로 분해되고, 금속 절단 부산물을 충분히 자주 청소하지 않으면 고운 분말이 임계량에 도달해 꽤 위험해질 수 있음. 철이나 알루미늄 화재는 레이저를 망가뜨리고, 철과 알루미늄이 함께 타면 레이저뿐 아니라 받침대와 그 아래 콘크리트까지 망가뜨릴 수 있음
    • 이 방식은 더 안전해 보임. 방출 면적이 넓고 초점 렌즈를 쓰면 반사된 빔이 거리와 함께 약해질 테니까
    • 이런 레이저 주변에 남은 눈을 보호하지 않고 다가가면 안 됨
      이런 장비는 직접 보지 말고 카메라만 써서 다뤄야 한다고 봄
    • 이런 소형 레이저가 위험해지는 속도를 생각하면 차라리 휴대용 플라즈마 절단기를 쓰는 편이 나아 보임
    • 이런 종류의 레이저가 거리 범죄에 연루된 사람들 손에 들어간다고 생각하면 오싹함

  • 이것을 수소-붕소 무중성자 핵융합과 결합하면 열기관 없이 전기를 직접 만들 수 있을지도 모름
    아직 몇 년은 멀었지만 앞으로 나아갈 수 있는 경로 하나를 보여줌

    • Wikipedia에는 “페타와트급 레이저 펄스가 ‘눈사태’ 핵융합 반응을 일으킬 수 있다”고 되어 있음. 필요한 출력에 붙어야 할 0이 꽤 많음
      기사에서는 10kW, 즉 10^4W를 계획한다고 하는데, 페타와트는 10^15W라서 계산상 0이 11개 더 필요함. 시간이 좀 걸릴 듯함
      올여름 핵융합-전기 장치를 켠다고 말하는 Helion이 먼저 도달할 수도 있어 보임

  • “Society 5.0에서는 주문형 생산품이 가능해진다”는 대목은 The Peripheral 팬들이 떠오름
    농담은 제쳐두고, 이 구상의 걸림돌은 고출력 LED 조명과 마찬가지로 냉각임. 무언가를 식히려면 여전히 꽤 큰 하드웨어가 필요함

  • 기사는 PCSEL을 가장자리 방출 레이저와 비교해서 혼란스럽게 만듦
    실제로는 세기 전환기쯤부터 높은 출력 밀도를 내던 VCSEL의 새로운 개선형처럼 보임

  • 이런 표면 방출 특성이 여러 칩을 위상 고정하기 쉽게 만들지 궁금함
    큰 개구와 장거리 전력 전송에 매우 유용할 수 있음
    고효율 대구경 레이저의 한 응용은 장거리 항공기에 전력을 공급하는 것임. 경로상의 지상국이나 우주 레이저 기지에서 빔으로 전력을 보내면 연료를 완전히 없앨 수 있어, 잠재적으로 무제한 항속거리가 가능해짐

    • 그 위상 고정은 홀로그래피에도 쓸 수 있음
      웨이퍼 규모의 위상 고정 방출기 배열을 만들고, 각 방출기를 감쇠시키거나 위상 이동할 수 있게 겹치면 괜찮은 단색 홀로그래픽 디스플레이가 됨. 각 방출기의 발산각은 크다고 가정함

  • 그러면 저렴한 가정용 레이저 커터가 목재, 가죽, 플라스틱뿐 아니라 금속도 자를 수 있게 되는 걸까?

  • 최신 ASML 장비가 자외선 레이저의 각도와 회절 격자를 조율해 깨끗하고 작은 2D 패턴을 만드는 게 떠오름
    이 규모에서 빛의 상호작용을 모델링하는 게 얼마나 어려운지 궁금함. 저자들이 스케일링 문제의 모델링 해법을 찾아내려면 무엇이 필요할까? 광물리학 박사 한 명이면 가능한 일인지, 아니면 회사와 사람들이 수십 년 동안 팀 단위로 전문성을 쌓아야 하는 일인지 궁금함
    ASML은 마스크와의 단일 파동 회절 상호작용만 풀면 되는 것처럼 보이지만, 정재파와 고차 모드를 모델링하려면 훨씬 많은 수학이 필요할 듯함. 각 상호작용의 해가 확률적이라면 가능한 일인지도 의문임
    실제 해법은 만들 수 있는 반도체 구조, 예를 들면 구멍 같은 특징의 종류에 의해 대부분 제한되는지도 궁금함

  • 이걸 3D 프린팅에 쓸 수 있을까?
    레이저 배열에서 각 레이저가 픽셀처럼 동작하고, 분말 층을 이동시키며 3D를 만드는 방식 말임. 이 구조가 현재 3D 프린터보다 빠를 수 있을까?

    • 그런 프린터는 이미 있음. 금속 분말 층을 레이저로 녹이거나, 플라스틱 분말 층에 결합제를 뿌리는 방식임
      후자는 착색제를 넣으면 풀컬러 3D 플라스틱 출력도 가능함
      검색어는 “Laser powder bed fusion”임. 아래에서 지적된 상표명 “Direct Metal Laser Sintering”과는 구분됨
      https://www.3dsourced.com/guides/direct-metal-laser-sinterin...
    • 광중합 수지 기반 프린팅은 이미 꽤 오래전부터 있었음
      다만 광원이 속도에 얼마나 영향을 주거나 개선할 수 있는지는 잘 모르겠음

  • 누군가 이런 레이저를 들고 사람을 반으로 자르는 것도 가능해지는 걸까?
    산업 활용에 초점이 맞춰져 있지만, 이중용도 기술처럼 보이므로 규제가 필요해 보임

  • Society 5.0에 관한 이 글에는 레이저가 나오지 않음. 왜 초고출력 레이저가 이 미래 계획에 꼭 중요한지 아는 사람이 있을까?
    https://www8.cao.go.jp/cstp/english/society5_0/index.html

    • 공유한 페이지 하단의 문서를 보면 됨
      https://www8.cao.go.jp/cstp/kihonkeikaku/5basicplan_en.pdf
      그 문서에는 이 계획의 우선순위로 로봇공학, 센서, 액추에이터, 생명공학, 인간 인터페이스, 소재·나노기술, 빛·양자 기술 등이 나열되어 있음. 조금 상상력을 발휘하면 저렴하고 강력하고 작은 레이저가 각각에 도움 되는 방식을 떠올릴 수 있음
      더 평범하게는 연구자들이 연구비를 정당화하기 위해 결과를 그때그때의 정치적 우선순위에 연결하려는 것일 가능성이 큼
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