GN⁺: 강철을 녹일 수 있는 초소형 초고휘도 레이저

포토닉 크리스탈 기반의 초고휘도 반도체 레이저 개발

• 일본 정부는 2016년 '5번째 사회' 도래를 발표하였는데, 이 사회에서는 주문형 상품, 로봇 돌봄이, 택시, 트랙터 등이 활용될 것이며, 이를 가능케 하는 핵심 기술 중 하나가 바로 레이저임.
• Society 5.0에 필요한 레이저는 소형화, 저비용, 제조 용이성, 에너지 효율성, 제어 용이성 등의 조건을 만족해야 하며, 기존 반도체 레이저로는 광도(brightness) 부족으로 한계가 있었음.
• 교토대 연구팀은 지난 20여년간 포토닉 크리스탈 표면 발광 레이저(PCSEL)를 개발해 왔는데, 이는 활성층 내부에 나노 크기 구멍 배열로 이루어진 '스위스 치즈' 층을 추가해 빛의 진행을 제어함으로써 고출력과 좁은 빔을 동시에 구현한 것임.
• PCSEL은 기존 반도체 레이저 대비 100배 이상의 휘도를 낼 수 있어, 가스/광섬유 레이저를 대체하고 제조/자동차 산업에 혁신을 가져올 것으로 기대됨.
• 최근에는 강철을 자를 수 있는 1 GW/cm2/sr 급 3mm 구경 PCSEL을 개발하였고, 이론적으로는 10~100 GW/cm2/sr 급까지 가능할 것으로 예측됨.
• 고출력 응용을 위해 에너지 효율과 열 관리 기술을 개선 중이며, 자율주행차/로봇용 초소형 라이다 시스템에도 PCSEL을 적용하고 있음.
• 장기적으로는 10kW급 출력에 1000 GW/cm2/sr의 극한의 휘도를 내는 PCSEL을 개발해, EUV 리소그래피나 핵융합 등의 분야에 활용하고, 우주선 추진에도 응용해 볼 계획임.

포토닉 결정의 원리

• 포토닉 결정은 반도체가 전자의 흐름을 제어하는 것처럼 빛의 흐름을 제어하는 구조로, 굴절률이 파장 스케일로 주기적으로 변하는 격자 구조를 가짐.
• 단순한 1차원 포토닉 결정의 경우, 유리와 공기가 교대로 배치된 구조에서 빛이 각 경계면에서 굴절 및 반사를 겪으면서 보강/상쇄 간섭을 일으키게 되는데, 특정 파장에서는 정상파가 형성되어 전파하지 않게 됨.
• 2차원 정방 격자 구조를 갖는 PCSEL에서는 구멍들이 빛을 앞뒤, 좌우로 굴절시켜 2차원 정상파를 만들고, 이것이 활성층에서 증폭되어 단일 파장의 레이저빔을 형성함.

고차 횡모드 억제를 통한 고휘도화

• PCSEL의 발광 면적이 커지면 고차 횡모드가 발진하기 시작하는데, 이는 정상파의 세기 분포가 여러 개의 봉우리를 갖게 되기 때문임.
• 초기에는 단일 격자를 사용하여 200μm 정도까지는 고차모드 억제가 가능했으나 그 이상 커지면 다시 발진하는 한계가 있었음.
• 이중 격자 구조를 도입하여 격자 내 빛의 상쇄간섭을 유도함으로써 고차모드의 세기 봉우리를 약화시켜 1mm까지 구경을 늘릴 수 있었음.
• 반사경의 위치와 격자 구멍의 형상을 조정하여, 정상파와 반사파 간 결합을 유도해 고차모드의 손실을 크게 함으로써 3mm급 초고휘도 PCSEL 구현에 성공함.

GN⁺의 의견

• 기존 반도체 레이저 대비 휘도를 100배 이상 높일 수 있다는 점에서 제조업 등 산업계에 큰 혁신을 가져올 잠재력이 있어 보임. 다만 아직 연구실 단계이고 상용화까지는 시간이 더 걸릴 것 같음.
• 고출력 응용을 위해서는 60% 이상의 높은 전기-광 변환 효율과 kW급 출력에서의 열 관리 기술 확보가 필수적일 것임. 열 문제만 해결된다면 기존 CO2/광섬유 레이저를 충분히 대체할 수 있을 것으로 보임.
• 초소형 라이다 시스템은 상용화가 빠를 것 같은데, 기계식 빔 조향부를 제거하고 집적화할 경우 가격이 크게 낮아질 수 있을 것임. 다만 센서 성능 면에서는 기존 방식과 비교 검증이 필요해 보임.
• EUV 리소그래피나 레이저 핵융합 등 초고휘도 레이저가 필요한 분야에서 기존 거대 레이저를 대체할 수 있다면 많은 비용 절감 효과가 있을 것임. 다만 아직 연구 초기 단계라 실현 가능성은 미지수.
• 우주선 추진 분야는 흥미롭기는 하나 실현까지는 갈 길이 멀어 보임. 우선 수십 kW급 레이저 개발이 필요할텐데 기술적, 비용적 장벽이 높을 것으로 예상됨. 태양광 압력을 이용한 솔라세일 방식이 현실적인 대안이 될 수 있을 것 같음.

[neo]

Hacker News 의견

요약:

• PCSELs(Photonic Crystal Surface Emitting Lasers)은 문자 그대로의 역장은 아니지만, 공중에서 거의 즉각적으로 어떤 것이든 멈출 수 있는 능력 면에서 유사함.
• 가정/소규모 작업장에서 금속을 자를 수 있는 저렴한 레이저 기술이 기대됨. 그러나 위험할 수도 있음에 주의 필요.
• 수소-붕소 (aneutronic) 핵융합과 결합하면 열발전소 없이 전기를 직접 생산할 수 있는 가능성을 보여줌. 아직 몇 년 남았지만 희망적임.
• 이는 ASML 기계들이 UV 레이저(각도)와 회절 격자를 조정하여 깨끗하고 작은 2D 패턴을 만드는 것과 유사함.
• 이 규모에서 빛의 상호작용을 모델링하는 것이 얼마나 어려운지 궁금함. 확률적 해법의 가능성도 제기됨.
• 냉각 문제가 고출력 LED 조명에서와 마찬가지로 관건이 될 것임. 아직 상당한 하드웨어가 필요함.
• 왜 그냥 "광선검"이라고 부르지 않았는지 의문. 기회를 놓친 듯.
• 이러한 표면 방출 특성으로 인해 여러 칩을 위상 고정하기가 더 쉬워질 수 있음. 장거리에 걸친 대형 구경 및 전력 공급에 유용할 수 있음.
• 고효율 대형 구경 레이저의 한 가지 응용 분야는 지상 기지나 우주 레이저 기지에서 장거리 항공기에 전력을 공급하는 것임. 연료를 전혀 사용하지 않아도 된다는 점이 매력적임.
• 저렴한 가정용 레이저 커터가 목재, 가죽, 플라스틱 외에 금속도 자를 수 있게 될까?
• 이 기사는 PCSEL을 edge-emitting 레이저와 비교하면서 혼란을 주고 있지만, VCSEL의 새로운 개선으로 보이며 VCSEL은 2000년경부터 큰 출력 밀도를 내고 있음.
• 우리가 레이저 권총 시대의 막바지에 와 있는 것으로 보임.