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작성일 작성일 : 15-08-05 19:42
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세계 최초의 백색 레이저 개발
글쓴이 : LASIC
조회 : 3,197
  첨부파일 http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?record_no=257488&cont… [639]
  첨부파일 http://phys.org/news/2015-07-world-white-lasers.html [587]

LED보다 더 밝고 에너지 효율적인 백색 레이저(white laser)가, 미래의 조명 및 광 기반의 무선통신을 담당하게 될 것으로 기대된다. 레이저는 1960년에 개발되었고 많은 분야에서 활용되고 있지만, 이 기술 중 한 가지는 불가능한 것으로 밝혀졌었다. 그 누구도 백색광을 갖는 레이저 빔을 만들지 못했다.
 
애리조나 주립대학(Arizona State University)의 연구팀은 이 문제를 해결하는데 성공하였다. 연구팀은 반도체 레이저가 백색 레이저를 방출하는데 필수적인 가시광선 전체 스펙트럼을 방출할 수 있음을 증명하였다.
 
연구팀은 독특한 나노시트(nanosheet)를 개발하였는데, 세 개의 평행한 부위(segment)를 가지고 있으며 각각은 세 가지 기본 색상 중 하나를 발산하는 역할을 한다. 이 기기는 어떤 가시광선 색상도 구현할 수 있으며, 적색, 녹색에서 청색으로의 변환을 완벽히 할 수 있으며 다른 어떤 색상도 구현해 낼 수가 있다. 모든 영역이 통합되면 백색광으로 표현된다.
 
연구팀은 본 연구결과를 Nature Nanotechnology지 7월 27일자로 온라인으로 게재("A monolithic white laser")되었으며, 전기, 컴퓨터 및 에너지공학과 교수인 Cun-Zheng Ning이 주저자이다. 그의 박사과정 학생인 Fan Fan, Sunay Turkdogan, Zhicheng Liu 및 David Shelhammer가 연구에 함께 참여하였다. Turkdogan와 Liu는 본 연구 후에 박사학위를 취득하였다.
 
기술적 진보는 레이저를 주요한 광원(light source)로의 활용 가능성을 높여주고 있으며, 발광 다이오드(LED)를 잠재적으로 대체할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 레이저는 더 밝고 에너지 효율적이며, 컴퓨터 스크린 및 텔레비전과 같은 디스플레이에서 더 선명하고 세밀한 색상을 표현할 수 있다. 연구팀은 이미 그들의 기기가, 현재의 디스플레이 산업 표준보다 70%정도 더 많은 색상을 표현할 수 있음을 보여준 바 있다.
 
다른 중요한 분야로, 미래 가시광선 통신으로 실내 조명 시스템이 조명 및 통신에 활용할 수 있음을 의미한다. 개발되고 있는 이 기술은 Li-Fi라고 불리며, 라디오파를 사용하는 Wi-Fi에 비해 광 기반의 무선통신을 나타낸다. Li-Fi는 현재의 Wi-Fi보다 10배 이상 빠르며, 백색광 Li-Fi는 현재 개발되고 있는 LED 기반의 Li-Fi보다 10∼100배 정도 더 빠르다.
 
백색 레이저에 대한 콘셉트가 처음에 반직관적이었던 이유는, 기존의 레이저에서 발생되는 빛은 다양한 범위의 파장을 가지지 않고 정확히 하나의 색상, 즉 전자기 스펙트럼의 특정한 파장만을 가지고 있기 때문이었다. 백색광은 보통 모든 가시광선 스펙트럼의 파장이 완벽히 혼합될 때 관찰된다.
 
기존의 LED 기반의 조명에서, 청색 LED는 청색광의 일부를 녹색, 황색 및 적색으로 변환시키기 위해 인광체(phosphor) 물질로 코팅되어 있다. 색깔을 갖는 빛의 이런 혼합은 인간에게 백색으로 인지되기 때문에 일반적인 조명에 사용될 수 있다.
 
2011년 샌디아 국립연구소에서는 4가지 다른 레이저로부터 고품질의 백색광을 만들어 낸 바 있다. 과학자들은 인간의 눈이 다이오드 레이저에서 발생시킨 백색광에 대해 편안함을 느낀다는 사실을 보여주었다. 비록 개념증명 성격의 연구가 인상적이었지만, 이런 독립적인 레이저는 실내조명이나 디스플레이에 적용할 수 없다. 모든 색상 혹은 백색의 레이저 광을 발생시킬 수 있는 하나의 반도체 재료가 필요하다고 Ning은 강조하였다.
 
고체 화학성분 혹은 화합물이 결정 내에 배열된 반도체는 컴퓨터 칩 혹은 통신 시스템에서의 광 발산을 위해 널리 사용되고 있다. 이 반도체는 흥미로는 광학적 성질을 가지고 있으며, 전압이 인가되었을 때 특정한 색상을 발산하기 때문에 레이저 및 LED를 제조하는데 사용되고 있다. 가장 선호되는 반도체용 발광 재료는 인듐 갈륨 질화물(indium gallium nitride)이며, 카드뮴 설파이드(cadmium sulfide) 및 카드뮴 셀레나이드(cadmium selenide)와 같은 물질도 색상을 발산하는데 사용되고 있다.
 
핵심은 발광 반도체 물질을 서로 다른 색상의 빛을 발산하도록 성장시키고 작동시키는 문제이다. 일반적으로 하나의 반도체는 단일 색상을 발산하는데, 이것은 독특한 원자구조 및 에너지 밴드갭에 의해 결정되기 때문이다.
 
격자상수(lattice constant)는 원자간 거리를 나타낸다. 가시광선 스펙트럼의 모든 가능한 파장을 생성하기 위해서는 매우 다른 격자상수 및 에너지 밴드갭을 가지는 여러 개의 반도체가 필요할 것이다. 연구팀의 목표는 세 가지 기본적인 색상을 구현할 수 있는 하나의 반도체를 제작하는 것이다. 이 반도체는 충분히 작아서, 세가지 각각의 색상이 아닌 혼합된 하나의 색상만을 인지할 수 있어야 한다.
 
가장 어려운 점은 격자 불일치(lattice mismatch)라고 불리는 문제로, 필요한 재료들 간의 격자상수의 차이가 너무 커진다는 점이다. 연구팀은 기존의 기술을 사용할 경우, 격자상수의 차이가 너무 크면 충분히 좋은 품질의 서로 다른 반도체 결정을 동시에 성장시킬 수 없었다.
 
가장 바람직한 해법은 필요한 모든 색상을 발산할 수 있는 단일 반도체 구조를 만드는 것이라고 Ning은 밝혔다. 연구팀은 이를 위해 나노기술을 활용하기로 결정하였다. 핵심은 벌크 물질에서의 전통적인 성장기술에서보다 나노미터 크기에서는 큰 불일치가 수용된다는 점이다. 즉, 격자상수의 차이가 클지라도 고품질의 결정을 성장시킬 수 있다는 의미이다.
 
이런 독특한 가능성을 일찍이 알아차린 연구팀은, 나노와이어 혹은 나노시트와 같은 나노물질의 성질에 대해 10년 전부터 연구해 오고 있다. 6년 전, 미군연구소(U.S. Army Research Office)의 지원 하에 연구팀은 넓은 에너지 밴드갭을 갖는 나노와이어를 성장시켜 적색에서 녹색으로 변환시킬 수 있음을 보여준 바 있다. 이후 연구팀은 단일 반도체 나노시트 혹은 나노와이어에서 적색 및 녹색 레이저를 동시에 발생시킬 수 있음을 발견하였다. 이런 성과는 연구팀으로 하여금 단일 백색 레이저의 가능성을 탐구해 보도록 하는 시발점이 되었다.
 
백색을 구현하기 위해 필요한 청색은, 넓은 에너지 밴드갭 및 매우 다른 물질의 특성으로 인해 더 많은 난관에 직면하도록 하였다. 연구팀은 거의 2년 동안 나노시트 형태에서 청색 발광 소재를 성장시키기 위해 노력하였다고 현재 터키에서 조교수(University of Yalova)로 재직하는 Turkdogan은 밝혔다.
 
마침내 연구팀은 필요한 형태를 우선 제작한 후에 재료를 적절히 사용하여 청색광을 구현할 수 있도록 전략을 수정하였다. 구조적 형태와 조성을 분리시키는 이러한 전략은 전략의 주요한 변화를 의미했으며, 백색광 실현을 위한 서로 다른 반도체 세 부위를 포함하는 하나의 구조를 성장시킬 수 있도록 한 중요한 돌파구가 되었다.
 
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