powerpoint 프레젠테이션 - 임기조 교수님 홈페이지...

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전기전자재료 및 소자Prof. Kee-Joe Lim

[email protected], 261-2424School of Electrical and Computer Engineering

Chungbuk National Universityhttp://www.cbucc.com

2009/9/1

mailto:[email protected]

http://imt.cbucc.net/

http://imt.cbucc.net/

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Scope of this chapter

• LASER

• 레이저 란 ?

• 레이저 원리

• 레이저의 종류

• 레이저 응용

• 광변조소자

• 원리 , 종류 , 응용

• 광 섬유

• 원리

• 구조

• 응용

교재 김 봉흡 저 전기전자재료 (5 장 양자전자재료 ) 문운당 간

3 Ajou UniversityAjou University

Optoelectronics Lab.Optoelectronics Lab.

Lightwave Spectra

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Lightwave Band Used in Optical Communication

Ajou UniversityAjou University


Near InfraredFrequency

Wavelength1.6

229

1.0 0.8 µm0.6 0.41.8 1.4

UV

(vacuum) 1.2

THz193 461

0.2

353

Longhaul Telecom

Regional Telecom

Local Area Networks850 nm

1550 nm

1310 nmCD Players780 nm

He-Ne Lasers633 nm

5

Electromagnetic Wave

Ajou UniversityAjou University


- governed by Maxwell’s Equations

y

x

z

TEM wave: Ex = E0 cos (t – kz), Hy = H0 cos (t – kz)

= 2 , k = 2 n, vp == n c/n /k

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)](exp[0 kztjEEconst;,

7

- Coherent lightPhotons have fixed phase relationship (laser light)

- Incoherent lightPhotons with random phase(sun, light bulb)

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Population inversion, Pumping, Negative temperature state

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Population inversion 에서 광의 증폭원자가 에너지 를 흡수해서 에너지 준위 E1 -> E2 천이 ( 유도흡수 )

또는 E2 -> E1 으로 천이하면서 광을 방출 ( 유도 방출 ) 한다 .

유도 흡수나 유도 방출의 단위시간당 확률은 서로 같으며 입사광 에너지에 비례 함

단위체적당의 원자에 의한 입사에너지의 흡수 속도

hEE 12

h

)(B

))(()( 21 NNB ]exp[ 21

2

1

kTEE

NN

;0)(21 NN;0)(21 NN

absorption

Amplification, 반전분포 , 부온도상태

1E

2E

1N

2N

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광 발진• 광 발진기 ; 광 증폭기 ( 부온도 상태 ) 양단에 반사경 ( 거울 ) 설치

• 레이저의 증폭이득이 공진기의 손실을 넘어서면 , 광이 공진기 안을 왕복하면서 레이저 강도는 증폭되어 레이저가 발진 함

• 발진 문턱값 부근에서 , 이득의 포화를 고려하지 않는 경우 , 레이저 발진 조건은

1)2exp(21 gzRR

1I

)2exp(2112 gzRRII 1R2R

Mirror Cavity (laser media)

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})(2exp{ ztj

)()(2)( 00 jj

})(2exp{1})(exp{)0()(

21

21

lRRlTTIlI

)( Propagation const.( 전파정수 )

)( Attenuation const.)( phase const.

T 투과계수R 반사계수

평면파 전자계 성분 ( 맥스웰방정식 )

1})(2exp{21 lRR

20

sec

secmE2

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고체 레이저의 특성매질 이온 발진파장 [A] 전자천이 발진상태 및 발진가능최고온도

[K]Al2O3 Ruby Cr3+ 0.05% 6934 2E->4A2 CW,P, 350

CaWO4 Nd3+ 1% 10580 4F3/2->4I11/2 CW 300

CaMoO4 Nd3+ 1.8% 10610 // //

Y3Al5O12 YAG Nd3+ 10648 // //

CaF2 U3+ 0.05% 26130 4I11/2->4I9/2 P 300 CW 77

KBaSi glass Nd3+ 10600 4F3/2->4I11/2 P 300

NaCaSi glass Nd3+ 9200 4F3/2->4I9/2 //

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특징

출력은 고체레이저이 비해 떨어짐

출력 , 주파수 안정도 , 코히어런스성 양호

종류 많고 용도 다양함

발진파장대 ; 원적외선 ~ 자외선

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준안정상태 충돌s5

s100

redIR

수 ~ 수십 mW

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( 분자기체 레이저 )

Collision of Excited N2

전자충격

( 연속발진 수백 W 출력 )

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• 희유가스 , Hg 또는 O2, NH3, CO2 등의 분자기체 방전시에 생기는 O, C, N 등의 이온으로부터 레이저 발진을 얻음

• Ar 이온 레이저 대표적임

기체 이온 레이저

Excimer laser

• KrF, XeF, KrCl, XeCl, XeBr

• UV

• 수 kJ

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펄스출력 100kW, 대출력 가시광영역 레이저

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반도체 레이저• 원리

•일반적인 레이저는 고립된 원자나 분자의 에너지준위사이의 천이현상을 이용하나 , 반도체 레이저는 에너지 band 사이의 천이현상 이용

• 축퇴된 (degenerated) PN 접합

• 순방향 바이어스로 케리어 주입 ( 부온도상태 실현 ), 전도대 전자가 가전자대로 직접천이 , 레이저 광 방출P N

E

k

E

k0 0

Degenerated band structure

Transition of electron

(indirect transition) (direct transition)

h

hE /hp /2k

hFF pn

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레이저의 구조

- PN 접합형

- 이중 헤테로 잡합형

- 면발광형

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중요한 반도체 레이저재료 금제대폭 [ev] 발진파장 [um] pumping

CdSCdSxSe1-x

CdTeGaAsGaAs1-xPx

InPIn1-xGaxAs

InAs1-xPx

InAsInSb

2.5

1.51.58

1.58~2.21.41

0.46~1.580.46~1.41

0.460.236

0.50.49~0.69

0.790.84

0.65~0.840.9

0.84~3.10.9~3.1

3.15.2

전자선 , 빛////

주입 , 전자선 , 빛주입//////

주입 . 전자선 , 빛//

반도체 레이저 특징• 소형 , 경량 , 견고

• 발진효율이 수 ~ 수십 % 로 높음

• 펌핑이 용이하고 , 전류에 의해 10GHz 이상의 고속으로 직접변조가능

• 제조가격이 낮고 , 수명이 길고 , 신뢰성이 높아서 , 광통신 , 계측 , 정보기술 등에 폭 넓게 활용

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광변조소자

...)1( 22 hErEn

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Application of laser• 에너지개발 응용

• 레이저 프로세싱

• 레이저 계측

• 레이저 정보처리

• 레이저 바이오 , 의학 응용

• 레이저 화학

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에너지개발 응용

• 레이저 동위체 분리 동위원소는 원자력을 필두로 의학 , 약학, 생물학 및 농학 등 여러 분야에서 이용되고 있다. 레이저 동위체 분리란 동위원소에 의한 빛의 흡수 파장의 미소한 차이를 이용하여, 특정의 동위원소만이 흡수하는 파장의 레이저광을 조사하고 선택적으로 여기시켜 분리하는 방법을 말한다. 광 이온화를 이용하는 원자법과 광해리(解離)를 이용하는 분자법으로 크게 나눌 수 있다. 레이저를 이용한 이런 방법들은 원심분리법과 확산법과는 달리, 1회 과정으로 분리 가능한 것이 장점이며, 우라늄 농축에 적용되고 있다. 원자법으로 사용되는 레이저는 색소 레이저, YAG 레이저가 있고, 분자법으로는 CO2 레이저, NH3 레이저 및 자유전자 레이저 등이 사용되고 있다.

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군분리원자력 발전소에서 나오는 고준위 폐기물 중에는 , U( 우라늄 ), Pu( 플루토늄 ) 을 포함한 악티니드 (actinide) 원소 , Sr, Cs, 백금족 원소 등의 많은 금속이 포함되어 있다 . 이 원소들을 몇 개의 무리로 나눠서 , 안전하게 관리할 뿐더러 자원을 유효하게 쓰는 것이 고려되고 있다 ( 군 분리 ). 종래에 생각해왔던 분리 방법은 , 화학시약을 많이 사용하기 때문에 2 차 폐기물 양의 증가가 문제로 되어왔다 . 그래서 화학시약을 대신해서 레이저 조사에 의한 광 산화환원 반응을 이용하면 , 2 차 폐기물 양의 감소는 물론

원격조작에 의한 안전성의 확보가 기대된다 .

(1) 엑시머 레이저 (308 nm) 조사의 초기 단계에서는 , Eu3+ 의 적색 (618 nm) 발광이 관측된다 . 여기서 색소 레이저가 사용되고 있다 .

(2) 잠시 조사하면 Eu3+ 가 광 환원되어 생성되는 Eu2+ 의 청색 발광 (489 nm) 이 관측된다

(3) 레이저 조사 후 , 방치하면 에탄올 속에서는 , Eu2+ 의 용해도가 또 Eu3+ 에 비해서 낮기 때문에 Eu2+ 만이 침전된다

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군분리를 이용한 사용한 연료의 재처리 ( 일 총합연 )

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소멸처리장수명의 방사성 핵물질을 핵변환에 의해 단수명 핵물질로 또는 안정된 핵으로 변화시키는 것도 생각할 수 있는데 이것을 소멸처리라고 한다 . 핵 변환을 일으키는 데에는 1) 중성자를 이용하는 방법 , 2) 양성자 빛살을 이용하는 방법 , 3) 선에 의한 (, n) 반응을 이용하는 방법이 있어서 연구가 진행되고 있다 . 그 중에서도 레이저로 선을 효율 좋게 발생시켜 , 소멸처리에 사용하는 연구가 진행되고 있다 . 이것은 콤프톤 (Compton) 산란 현상을 이용하는 것으로 , 레이저광과 고에너지 전자 빛살을 충돌시키면 , 산란된 광자는 선에 필적하는 에너지를 갖게 된다 . supercavity 라고 불리는 광 공진기에서는 레이저광을 축적해서 전자와 상호작용을 시켜서 효율

좋게 고강도의 선을 발생시킬 수 있으므로 , 이것을 이용한다 .

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레이저 핵융합핵분열 반응이 우라늄과 같이 무거운 원소가 분열할 때 발생하는 에너지를 이용하는 것과는 대조적으로 , 핵융합 반응은 수소와 같이 가벼운 원소를 융합해서 무거운 원소가 될 때에 발생하는 에너지를 이용하는 것이다 . 핵융합 반응을 일으키기 위해서는 원자핵끼리 전기적으로 반발하는 힘에 이길 정도의 에너지를 입자에 공급해야 한다 . 이 때문에 연료를 1 억 도에 가까운 초고온으로 가열해야 한다 . 더 한층 핵융합 반응을 지속시켜서 핵융합로를 실현하기 위해서는 , 이런 초고온 상태를 높은 연료 밀도로 , 어떤 일정 시간 이상 지속시키는 것이 필요하다 ( 로슨 (Lawson) 조건 ). 비교적 저밀도의 플라즈마를 자기장 속에서 될 수 있는 한 긴 시간 동안 가둬두는 자장 가둠 방식 (Magnetic Confinement Fusion : MCF) 과는 대조적으로 , 초고밀도를 실현하여 그 플라즈마가 날려서 흩어져 버리기 전의 짧은 시간에 반응을 일으키는 것을 관성 가둠 방식 (Inertial Confinement Fusion : ICF) 이라고 부른다 . 이 관성 가둠 방식은 순식간에 거대한

에너지를 주입할 수 있는 레이저라는 에너지 드라이버에 의해 처음으로 가능하게 되었다 ( 레이저 핵융합 ).

가열 점화 폭축 연소

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레이저 유도 번개레이저 유도 번개는 매우 강력한 레이저광 ( 첨두 출력 10 GW) 을 대기 중에 집광해서 생성한 플라즈마 ( 전리된 가스 ) 의 전도성을 이용하여 번개를 유도하고자 하는 기술이다 . 고출력 레이저는 대단히 큰 파워의 광 펄스를 발생시킬 수 있는데 그 순간적인 파워는 원자력 발전소 몇 개 분에 필적한다 . 레이저로 번개를 유도하는 기술은 이와 같은 고출력 레이저를 응용하는 기술의 하나로서 주목 받고 있다

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레이저 가속기레이저는 가속기로 하는데 적합한 조건들과 부적합한 점들을 가지고 있다 . 입자 가속기는 원래 2 장의 전극에 전압을 걸어주어 전장의 힘으로 속에 있는 입자에 에너지를 주어 가속하는 것이다 . 그러나 , 입자는 가속되어 바로 전극에 충돌해 버리기 때문에 걸어준 전압 이상의 에너지를 전달할 수가 없다 . 입자가 움직이기 시작함과 동시에 2 장의 전극이 같은 방향으로 끌어당기면 입자는 전극에 충돌하지 않게 된다 . 만일 , 전극을 매우 빠르게 광속으로 끌어 당기면 , 입자는 가속되어 빨라져도 충돌하지 않고 계속 가속되어 점점 에너지가 커지게 된다 .

초고강도의 레이저를 사용하면 이러한 일이 가능해진다 . 단지 , 레이저의 전장은 고속으로 움직이는 방향과 직각 방향으로만 걸리므로 레이저광으로 직접 입자를 쳐서 보내는 것은 간단하지는 않다 . 레이저로 일단 플라즈마의 전극을 만드는 것이 보다 실제적이라 할 수 있다 . 초고강도로 초단펄스 폭의 레이저를 플라즈마에 집중시키면 자신의 광압으로 플라즈마를 배제하여 배가 지나간 흔적처럼 그 흔적이 남는다 . 이것이 달리는 전극이 되는 것이다 . 레이저 펄스를 차례로 집어넣어 플라즈마에 공명하도록 강력한 연결항로를 만들어 입자를 가속시키는 방법을 비트(beat) 파 가속이라고 한다

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레이저 프로세싱 레이저 애블레이션

레이저 CVD 표면 개질 레이저 아닐링

오염 제거 미세 가공 리소그래피

절단 용접 구멍뚫기

레이저 선반 레이저로 조작

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레이저 애블레이션

레이저 애블레이션 (ablation) 이란 , 펄스 레이저광을 물체 ( 표적 ) 에 조사하여 물체 표면을 깍아내는 것을 말한다 . 레이저 애블레이션은 크게 두 가지 목적으로 사용되고 있다 . 하나는 표적이 되는 물체의 가공이고 , 또 다른 하나는 표적에서 분리되어 나온 물질로 막을 만드는 것이다 .

레이저 애블레이션으로 가공한 마이크로 실린더리칼 렌즈

표면 산화막 ( 물방울 형상 )

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레이저 CVDCVD라는 것은 화학 증기 성장법의 약어로서 , 재료가스를 열분해하여 박막 ( 두께 10μm 이하의 얇은 막 ) 을 만드는 방법이다 . 레이저 CVD 에서는 , 열을 대신하여 강력한 레이저광을 조사해서 재료인 가스를 분해한다 . 레이저광은 파장이 일정한 상태로 에너지를 공급하므로 , 열과 달리 반응을 제어하기 쉽다 . 또 , 레이저광을 작은 공간에 집속시킬 수 있으므로 박막을 고체표면의 극히 한정된 부분에만 만들 수도 있다 . 레이저 CVD 에서 주로 사용되는 것은 엑시머 레이저이다 .

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표면 개질레이저는 , 표면 의 질을 개선하는 분야에 새로운 기능을 부가할 수 있는 가능성을 제공하고 있다 . 그것은 처리부분을 정확히 한정해서 순간적으로 가열하기 때문이다 . 일반적으로 철강재료의 표면을 담금질하려면 강제로 냉각을 해야 하지만 레이저를 사용하는 경우 , 단시간에 가열이 가능하기 때문에 소재 자체의 냉각 작용만으로도 경화가 가능하다 . 금속 표면층을 용융해서 급속히 응고시켜도 비정질화가 된다 . 또 , 처리 금속의 표면에 다른 종류의 금속 분말을 놓고 , 와이어를 공급하면서 레이저를 조사하는 것으로 표층만을 합금화하거나 모재와의 희석이 극히 작은 클래딩 등의 가공을 할 수

있다 .

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레이저 어닐링레이저 조사에 의한 열작용으로 , 금속이나 반도체의 결정 격자의 전이를 일으키는 기술이다 . 이 기술에서는 필요한 부분만큼은 국소적으로 어닐링되며 또 , 단시간에 처리되는 등의 특징이 있다 . 반도체에 조사함으로써 , 결정의 방향성을 갖추어서 , 레이저 CVD 등으로 만들어진 박막을 비정질 상태로부터 결정 상태로 바꾸는 것이 가능하다 . 현재 , 액정 패널 제조용으로 유리 기판 위에 비정질 실리콘을 다결정화 하는 기술의 실용화가 주목을 끌고 있다 . 이렇게 해서 액정 패널의 성능 향상이 기대되고 있다 . 일반적으로 반도체 분야에서 엑시머 레이저가 사용되고 있지만 , 금속이나 유리 등에는 CO2 레이저나 Nd:YAG

레이저도 사용된다 .레이저 어닐링의 원리펄스 레이저를 조사함으로써 비정질을 표면에서부터 용융한다 . 더 한층 시간이 경과하면 기반 자체에 의해 냉각되어 다시 한 번 고체가

된다 . 이 고체화 과정에서 결정이 된다 .

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오염 제거레이저 세정은 오염 제거 대상물에 에너지 밀도가 높은 레이저광을 조사해 애블레이션을 일으키는 것으로써 표면 오염물을 제거하는 것이다 . 표면 오염물과 모재와의 애블레이션 차를 이용해서 모재에 영향을 주지 않고 표면에 붙어있는 것만을 제거할 수 있으므로 , 칠을 벗겨내거나 문화재 청소 등에 이용되고 있다 . 레이저 세정에는 주로 Nd:YAG 레이저, CO2 레이저, 엑시머 레이저가 쓰인다 .

방사능 물질 세정

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미세 가공레이저는 렌즈로 미소한 점에 집광할 수 있기 때문에 , 여러 가지 미세 가공에 이용되고 있다 . 거울로 방향을 바꾸고 , 셔터로 ON/OFF 를 반복하며 , 미소한 점에 열을 집중시켜 작은 문자를 써넣고 ( 레이저 마킹), IC 기판의 바탕을 부분적으로 깍고 ( 레이저 트리밍), 결함을 수정 ( 레이저 리페어링) 하는 데에 이용하고 있다 .

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리소그라피레이저광을 렌즈와 미러로 구성된 광학계를 통과시켜서 LSI 회로의 원판에 있는 래티클에 명중시켜서 , 원판의 1/5 정도의 크기로 축소한 회로의 상을 웨이퍼 위에 결상시켜 , 웨이퍼에 칠한 감광재에 회로를 새긴다 . 회로의 집적도가 커짐과 더불어 , 회로의 선폭이 0.2 μm 정도로 미세화되어서 , 파장이 짧은 빛이 노광에 쓰이고 있다 .

리소그래피용 광학계초 LSI 등의 집적회로의 제조에서 회로 패턴을 반도체 기판에 새기기 위해 리소그래피 기술이 쓰인다 . 새기는 데는 빛을 쓰는데 , 회로의 집적도가 커짐에 따라서 회로가 미세화되어서 , 보다 단파장인 자외선 광이 쓰이게 되었다 . 장래에는 자외선을 대신하여 X 선을 이용할 것으로 전망되고 있다 . 자외선 레이저나 X선 레이저는 일렉트로닉스에서 불가결의 기술이다 .

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절단절단가공에 적용되고 있는 레이저의 대부분은 , 이산화탄소 레이저와 YAG 레이저로 , 고강도 가공기와 고속연산 수치제어를 조합한 가공 시스템을 구성하고 있다 . 에너지 밀도가 높은 열원 (108 W/cm2) 을 가공에 적용하므로 , 그 가공 대상은 금속에서부터 비금속까지 매우 다양하다 . 고속 고정밀의 가공 성능과 가공 중 무소음 및 빛살의 제어성이 좋고 , 무인 생산에 적합한 등등의 특징이 있어서 , 기존의 프레스 가공이나 가스 용접 등을 대신하는 가공 방법으로서 주목받고 있다 .

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용접집광한 레이저광 ( 에너지 밀도 약 104~106 W/cm2) 을 재료 표면에 조사하여 , 용융 증발시켜 구멍을 만들면서 깊이 녹여 넣을 수 있는 용접법이다 . 고밀도 에너지이기 때문에 고속으로 찌그러짐이 적은 용접을 할 수 있다 . 레이저 용접에 사용되는 레이저는 CO2 레이저, YAG 레이저의 두 종류가 있고 , CO2 레이저는 25 kW( 상품화된 최대 출력은 45 kW) 의 레이저가 판두께 16 mm 정도까지 , YAG 레이저로는 2 kW(상품화된 최대 출력은 5 kW) 의 레이저가 판두께 2 mm 정도까지의 각종 구조물 용접에 실용화되어 있다 . 어느 공정이라도 종래의 아크용접에 대해 고효율적인 용접을 실현시킬 수 있다 . 특히 YAG 레이저는 광섬유에 의해 유연성 있게 빛살의 전송이 가능하므로 좁고 깊은 곳 또는 특수한 환경 (수중이나 방사선 분위기 등 ) 에서의 용접이 가능하므로 실용화 확대가 기대된다 .

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구멍 뚫기집광시킨 레이저광을 재료에 조사하면 재료 표면은 순간적으로 용융하여 , 비등 ( 沸騰 ) 또는 증발하여 흩어진다 . 이런 현상을 이용하면 작고 깊은 구멍을 뚫을 수 있다 . 금속의 구멍뚫기에는 이산화탄소 레이저나 YAG 레이저로 첨두 (peak) 출력을 높인 펄스 발진이 사용되고 있다 . 최근 , 엑시머 레이저에 의한 고분자 재료의 공명 ( 孔明 ) 가공도 주목받고 있다 . 레이저 구멍뚫기의 특징은 가공 불가능한 난가공재에도 비접촉으로 수 μm 의 미세 가공인 구멍 뚫기가 가능한 것 , 소재의 열영향이 극히 적은 것 , 그리고 자동화가 용이한 것 등을 들 수 있다

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레이저 선반절삭에 의한 선반 가공과 달리 , 펄스 레이저광을 가공 부위에 집속 조사해서 , 이것에 의해 일어나는 증산작용 등에 의한 가공을 이용하는 방법이다 . 가공할 입체 형상 자료를 컴퓨터에 기억시키고 , 이 자료에 기초하여 가공용 펄스 레이저 장치를 ON/OFF 제어시키면서 목표 가공 형상에 근접해 간다 . 일반적인 선반 가공에서는 가공 형상이 회전체에 한정되지만 , 레이저 선반에서는 임의의 입체형상

가공이 가능하다

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빛이 미립자에 의해 산란될 때 포톤의 운동량 변화에 따라서 발생하는 힘인「방사압」을 이용해서 , μm~nm 급의 미립자를 비접촉 , 비파괴적으로 포착해서 자유자재로 조작하는 기술이다 . Nd:YAG 레이저를 레이저 현미경과 같은 형태의 광학계로 집광해서 , 단일 미립자의 분광 , 미세가공 및 레이저 애블레이션을 하고 , 레이저 주사기술을 조합하여 복수의 미립자를 배열 , 수송이나 미소 구조물의 조립 등이 실현되어 있다 . 최근에는 , 용액 속의 고분자에 방사압을 작용시켜서 분자 집합체를 형성하는 마이크로 화학의 연구가 진행되고 있다 .

레이저 매니퓰레이션 (manipulation)

금속미립자 광포착조작

고분자 미립자의 광배열조작

고분자미립자의 마이크로머시닝

단일고분자미립자의 레이저 애블레이션

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광검출 간섭 계측

레이저 분석 광섬유 센서 거리 측정 위치 및 방향 측정 흐름 측정 환경 계측 우주 계측 비파괴 검사

레이저 현미경 레이저 냉각

레이저 계측

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