전기전자재료및소자 Prof. Kee-Joe Lim kjlim@chungbuk.ac.kr, 261-2424 Sh School of felectrical ti land dcomputer Engineering i Chungbuk National University http://www.cbucc.com 2008/9/1 1
Scope of this chapter LASER 레이저란? 레이저원리 레이저의종류 레이저응용 광변조소자 광섬유 원리, 종류, 응용 원리 구조 응용 교재김봉흡저전기전자재료 (5 장양자전자재료 ) 문운당간 2
Optoelectronics Lab. Lightwave Spectra 3 Ajou University
Optoelectronics Lab. Lightwave Band Used in Optical Communication Frequency Wavelength 193 229 353 461 THz Near Infrared (vacuum) 18 1.8 16 1.6 14 1.4 12 1.2 10 1.0 08 0.8 06 0.6 04 0.4 02 0.2 µm UV Longhaul Telecom Regional Telecom Local Area Networks He-Ne Lasers 633 nm 1550 nm CD Players 1310 nm 780 nm 850 nm 4 Ajou University
Optoelectronics Lab. Electromagnetic Wave - governed by Maxwell s Equations x z y TEM wave: E x = E 0 cos (ωt kz), H y = H 0 cos (ωt kz) ω = 2 πν, k = 2 π/λ = 2 πn / λ 0, v p =νλ = νλ 0 /n= c/n = ω/k 5 Ajou University
E = E0 exp[ j( ω t kz + θ )] ω,θ;const 6
- Coherent light Photons have fixed phase relationship (laser light) - Incoherent light Photons with random phase (sun, light bulb) 7
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Population inversion, Pumping, Negative temperature state 10
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hν Population inversion 에서광의증폭 원자가에너지를흡수해서에너지준위 E1 -> E2 천이 ( 유도흡수 ) 또는 E2 -> E1 으로천이하면서광을방출 ( 유도방출 ) 한다. E E = hν 1 N 2 E 2 2 N 1 E1 유도흡수나유도방출의단위시간당확률은서로같으며입사광에너지에비례함 Bρ(ν ) 단위체적당의원자에의한입사에너지의흡수속도 α( ν ) = Bρ( ν )( N 1 N2) N 1 > N 2 α ( ν ) > N < N α( ν ) 1 2 < 0; 0; N N 1 2 absorption E1 E2 = exp[ ] kt Amplification, 반전분포, 부온도상태 12
광발진 광발진기 ; 광증폭기 ( 부온도상태 ) 양단에반사경 ( 거울 ) 설치 레이저의증폭이득이공진기의손실을넘어서면, 광이공진기안을왕복하면서레이저강도는증폭되어레이저가발진함 발진문턱값부근에서, 이득의포화를고려하지않는경우, 레이저발진조건은 R1 R2 exp(2gz) > 1 I 1 R 2 I 2 = I 1 R 1 R 2 exp(2 gz ) R 1 Mirror Cavity (laser media) 13
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2 E µ sec msec 19
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고체레이저의특성 매질 이온 발진파장 [A] 전자천이 발진상태및발진 가능최고온도 [K] Al 2 O 3 Ruby Cr 3+ 0.05% 6934 2 E-> 4 A 2 CW,P, 350 CaWO 4 Nd 3+ 1% 10580 4 F 3/2 -> 4 I 11/2 CW 300 CaMoO 4 Nd 3+ 1.8% 10610 // // Y 3 Al 5 O 12 YAG Nd 3+ 10648 // // CaF 2 U 3+ 0.05% 26130 4 I 11/2 -> 4 I 9/2 P 300 CW 77 KBaSi glass Nd 3+ 10600 4 F 3/2 -> 4 I 11/2 P 300 NaCaSi glass Nd 3+ 9200 4 F 3/2 -> 4 I 9/2 // 22
특징 출력은고체레이저이비해떨어짐 출력, 주파수안정도, 코히어런스성양호 종류많고용도다양함 발진파장대 ; 원적외선 ~ 자외선 23
준안정상태 5µs 충돌 100µs red IR 수~ 수십 mw 24
( 분자기체레이저 ) Collision of Excited N2 전자충격 ( 연속발진수백 W 출력 ) 25
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기체이온레이저 희유가스, Hg 또는 O2, NH3, CO2 등의분자기체방전시에생기는 O, C, N 등의이온으로부터레이저발진을얻음 Ar 이온레이저대표적임 Excimer laser KrF, XeF, KrCl, XeCl, XeBr UV 수kJ 27
펄스출력 100kW, 대출력가시광영역레이저 28
반도체레이저 원리 일반적인레이저는고립된원자나분자의에너지준위사이의천이현상을이용하나, 반도체레이저는에너지 band 사이의천이현상이용 축퇴된 (degenerated) PN 접합 순방향바이어스로케리어주입 ( 부온도상태실현 ), 전도대전자가가전자대로직접천이, 레이저광방출 Fn Fp > hν E E E = hν P N 0 0 k hν k p = h / λ k = 2π / λ Degenerated band structure (indirect transition) (direct transition) Transition of electron 29
레이저의구조 - PN 접합형 - 이중헤테로잡합형 - 면발광형 30
CdS CdS x Se 1-x CdTe GaAs GaAs 1-x P x InP In 1-x Ga x As InAs 1-x P x InAs InSb 중요한반도체레이저 재료금제대폭 [ev] 발진파장 [um] pumping 반도체레이저특징 소형, 경량, 견고 2.5 0.5 049 0.49~0.69 069 1.5 0.79 1.58 0.84 158~22 1.58 2.2 065~084 0.65 0.84 1.41 0.9 0.46~1.58 0.84~3.1 0.46~1.41 0.9~3.1 0.46 0.236 발진효율이수 ~ 수십 % 로높음 3.1 5.2 전자선, 빛 // // 주입, 전자선, 빛주입 // // // 주입. 전자선, 빛 // 펌핑이용이하고, 전류에의해 10GHz 이상의고속으로직접변조가능 제조가격이낮고, 수명이길고, 신뢰성이높아서, 광통신, 계측, 정보기술등에폭넓게활용 31
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광변조소자 1 2 ( ) = re + he +... 2 n 35
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Application of laser 에너지개발응용 레이저프로세싱 레이저계측 레이저정보처리 레이저바이오, 의학응용 레이저화학 45
에너지개발응용 레이저동위체분리 동위원소는원자력을필두로의학, 약학, 생물학및농학등여러분야에서이용되고있다. 레이저동위체분리란동위원소에의한빛의흡수파장의미소한차이를이용하여, 특정의동위원소만이흡수하는파장의레이저광을조사하고선택적으로여기시켜분리하는방법을말한다. 광이온화를이용하는원자법과광해리 ( 解離 ) 를이용하는분자법으로크게나눌수있다. 레이저를이용한이런방법들은원심분리법과확산법과는달리, 1회과정으로분리가능한것이장점이며, 우라늄농축에적용되고있다. 원자법으로사용되는레이저는색소레이저, YAG 레이저가있고, 분자법으로는 CO 2 레이저, NH 3 레이저및자유전자레이저등이사용되고있다. 46
군분리 원자력발전소에서나오는고준위폐기물중에는, U( 우라늄 ), Pu( 플루토늄 ) 을포함한악티니드 (actinide) 원소, Sr, Cs, 백금족원소등의많은금속이포함되어있다. 이원소들을몇개의무리로나눠서, 안전하게관리할뿐더러자원을유효하게쓰는것이고려되고있다 ( 군분리 ). 종래에생각해왔던분리방법은, 화학시약을많이사용하기때문에 2차폐기물양의증가가문제로되어왔다. 그래서화학시약을대신해서레이저조사에의한광산화환원반응을이용하면, 2차폐기물양의감소는물론원격조작에의한안 전성의확보가기대된다. (1) 엑시머레이저 (308 nm) 조사의초기단계에서는, Eu3+ 의적색 (618 nm) 발광이관측된다. 여기서색소레이저가사용되고있다. (2) 잠시조사하면 Eu3+ 가광환원되어생성되는 Eu2+ 의청색발광 (489 nm) 이관측된다 (3) 레이저조사후, 방치하면에탄올속에서는, Eu2+ 의용해도가또 Eu3+ 에비해서낮기때문에 Eu2+ 만이침전된다 47
군분리를이용한사용한연료의재처리 ( 일총합연 ) 48
소멸처리 장수명의방사성핵물질을핵변환에의해단수명핵물질로또는안정된핵으로변화시키는것도생각할수있는데이것을소멸처리라고한다. 핵변환을일으키는데에는 1) 중성자를이용하는방법,2) 양성자빛살을이용하는방법,3)γ γ 선에의한 (γ, n) 반응을이용하는방법이있어서연구가진행되고있다. 그중에서도레이저로 γ 선을효율좋게발생시켜, 소멸처리에사용하는연구가진행되고있다. 이것은콤프톤 (Compton) 산란현상을이용하는것으로, 레이저광과고에너지전자빛살을충돌시키면, 산란된광자는 γ 선에필적하는에너지를갖게된다. supercavity 라고불리는광공진기에서는레이저광을축적해서전자와상호작용을시켜서효 율좋게고강도의 γ 선을발생시킬수있으므로, 이것을이용한다. 49
레이저핵융합 핵분열반응이우라늄과같이무거운원소가분열할때발생하는에너지를이용하는것과는대조적으로, 핵융합반응은수소와같이가벼운원소를융합해서무거운원소가될때에발생하는에너지를이용하는것이다. 핵융합반응을일으키기위해서는원자핵끼리전기적으로반발하는힘에이길정도의에너지를입자에공급해야한다. 이때문에연료를 1억도에가까운초고온으로가열해야한다. 더한층핵융합반응을지속시켜서핵융합로를실현하기위해서는, 이런초고온상태를높은연료밀도로, 어떤일정시간이상지속시키는것이필요하다 ( 로슨 (Lawson) 조건 ). 비교적저밀도의플라즈마를자기장속에서될수있는한긴시간동안가둬두는자장가둠방식 (Magnetic Confinement Fusion : MCF) 과는대조적으로, 초고밀도를실현하여그플라즈마가날려서흩어져버리기전의짧은시간에반응을일으키는것을관성가둠방식 (Inertial Confinement Fusion : ICF) 이라고부른다. 이관성가둠방식은순식간 에거대한에너지를주입할수있는레이저라는에너지드라이버에의해처음으로가능하게되었다 ( 레이저핵융합 ). 가열점화폭축연소 50
레이저유도번개 레이저유도번개는매우강력한레이저광 ( 첨두출력 10 GW) 을대기중에집광해서생성한플라즈마 ( 전리된가스 ) 의전도성을이용하여번개를유도하고자하는기술이다. 고출력레이저는대단히큰파워의광펄스를발생시킬수있는데그순간적인파워는원자력발전소몇개분에필적한다. 레이저로번개를유도하는기술은이와같은고출력레이저를응용하는기술의하나로서주목받고있다 51
레이저가속기 레이저는가속기로하는데적합한조건들과부적합한점들을가지고있다. 입자가속기는원래 2장의전극에전압을걸어주어전장의힘으로속에있는입자에에너지를주어가속하는것이다. 그러나, 입자는가속되어바로전극에충돌해버리기때문에걸어준전압이상의에너지를전달할수가없다. 입자가움직이기시작함과동시에 2장의전극이같은방향으로끌어당기면입자는전극에충돌하지않게된다. 만일, 전극을매우빠르게광속으로끌어당기면, 입자는가속되어빨라져도충돌하지않고계속가속되어점점에너지가커지게된다. 초고강도의레이저를사용하면이러한일이가능해진다. 단지, 레이저의전장은고속으로움직이는방향과직각방향으로만걸리므로레이저광으로직접입자를쳐서보내는것은간단하지는않다. 레이저로일단플라즈마의전극을만드는것이보다실제적이라할수있다. 초고강도로초단펄스폭의레이저를플라즈마에집중시키면자신의광압으로플라즈마를배제하여배가지나간흔적처럼그흔적이남는다. 이것이달리는전극이되는것이다. 레이저펄스를차례로집어넣어플라즈마에공명하도록강력한연결항로를만들어입자를가속시키는방법을비트 (beat) 파가속이라고한다 52
레이저애블레이션 레이저 CVD 표면개질 레이저아닐링 오염제거 미세가공 리소그래피 절단 용접 구멍뚫기 레이저선반 레이저로조작 레이저프로세싱 53
레이저애블레이션 레이저애블레이션 (ablation) 이란, 펄스레이저광을물체 ( 표적 ) 에조사하여물체표면을깍아내는것을말한다. 레이저애블레이션은크게두가지목적으로사용되고있다. 하나는표적이되는물체의가공이고, 또다른하나는표적에서분리되어나온물질로막을만드는것이다. 표면산화막 ( 물방울형상 ) 레이저애블레이션으로가공한마이크로실린더리칼렌즈 54
레이저 CVD CVD라는것은화학증기성장법의약어로서, 재료가스를열분해하여박막 ( 두께 10μm 이하의얇은막 ) 을만드는방법이다. 레이저 CVD 에서는, 열을대신하여강력한레이저광을조사해서재료인가스를분해한다. 레이저광은파장이일정한상태로에너지를공급하므로, 열과달리반응을제어하기쉽다. 또, 레이저광을작은공간에집속시킬수있으므로박막을고체표면의극히한정된부분에만만들수도있다. 레이저 CVD에서주로사용되는것은엑시머레이저이다. 55
표면개질 레이저는, 표면의질을개선하는분야에새로운기능을부가할수있는가능성을제공하고있다. 그것은처리부분을정확히한정해서순간적으로가열하기때문이다. 일반적으로철강재료의표면을담금질하려면강제로냉각을해야하지만레이저를사용하는경우, 단시간에가열이가능하기때문에소재자체의냉각작용만으로도경화가가능하다. 금속표면층을용융해서급속히응고시켜도비정질화가된다. 또, 처리금속의표면에다른종류의금속분말을놓고, 와이어를공급하면서레이저를조사하는것으로표층만 을합금화하거나모재와의희석이극히작은클래딩등의가공을할수있다. 56
레이저어닐링 레이저조사에의한열작용으로, 금속이나반도체의결정격자의전이를일으키는기술이다. 이기술에서는필요한부분만큼은국소적으로어닐링되며또, 단시간에처리되는등의특징이있다. 반도체에조사함으로써, 결정의방향성을갖추어서, 레이저 CVD 등으로만들어진박막을비정질상태로부터결정상태로바꾸는것이가능하다. 현재, 액정패널제조용으로유리기판위에비정질실리콘을다결정화하는기술의실용화가주목을끌고있다. 이렇게해서액정패널의성능향상이기대되고있다. 일반적으로반도체분야에서엑시머레이저가사용되고있지만, 금속이나유리등에는 CO 2 레이저나 Nd:YAG 레이저도사용된다. 레이저어닐링의원리펄스레이저를조사함으로써비정질을표면에서부터용융한다. 더한층시간이경과하면기반자체에의해냉각되어다시한번고체가 된다. 이고체화과정에서결정이된다. 57
오염제거 레이저세정은오염제거대상물에에너지밀도가높은레이저광을조사해애블레이션을일으키는것으로써표면오염물을제거하는것이다. 표면오염물과모재와의애블레이션차를이용해서모재에영향을주지않고표면에붙어있는것만을제거할수있으므로, 칠을벗겨내거나문화재청소등에이용되고있다. 레이저세정에는주로 Nd:YAG 레이저, CO2 레이저, 엑시머레이저가쓰인다. 방사능물질세정 58
미세가공 레이저는렌즈로미소한점에집광할수있기때문에, 여러가지미세가공에이용되고있다. 거울로방향을바꾸고, 셔터로 ON/OFF 를반복하며, 미소한점에열을집중시켜작은문자를써넣고 ( 레이저마킹 ), IC 기판의바탕을부분적으로깍고 ( 레이저트리밍 ), 결함을수정 ( 레이저리페어링 ) 하는데에이용하고있다. 59
리소그라피 레이저광을렌즈와미러로구성된광학계를통과시켜서 LSI 회로의원판에있는래티클에명중시켜서, 원판의 1/5 정도의크기로축소한회로의상을웨이퍼위에결상시켜, 웨이퍼에칠한감광재에회로를새긴다. 회로의집적도가커짐과더불어, 회로의선폭이 02μm 0.2 정도로미세화되어서, 파장이짧은빛이노광에쓰이고있다. 리소그래피용광학계초LSI 등의집적회로의제조에서회로패턴을반도체기판에새기기위해리소그래피기술이쓰인다. 새기는데는빛을쓰는데, 회로의집적도가커짐에따라서회로가미세화되어서, 보다단파장인자외선광이쓰이게되었다. 장래에는자외선을대신하여 X 선을이용할것으로전망되고있다. 자외선레이저나 X 선레이저는일렉트로닉스에서불가결의기술이다. 60
절단 절단가공에적용되고있는레이저의대부분은, 이산화탄소레이저와 YAG 레이저로, 고강도가공기와고속연산수치제어를조합한가공시스템을구성하고있다. 에너지밀도가높은열원 (108 W/cm2) 을가공에적용하므로, 그가공대상은금속에서부터비금속까지매우다양하다. 고속고정밀의가공성능과가공중무소음및빛살의제어성이좋고, 무인생산에적합한등등의특징이있어서, 기존의프레스가공이나가스용접등을대신하는가공방법으로서주목받고있다. 61
용접 집광한레이저광 ( 에너지밀도약 104~106 W/cm2) 을재료표면에조사하여, 용융증발시켜구멍을만들면서깊이녹여넣을수있는용접법이다. 고밀도에너지이기때문에고속으로찌그러짐이적은용접을할수있다. 레이저용접에사용되는레이저는 CO2 레이저, YAG 레이저의두종류가있고, CO2 레이저는 25 kw( 상품화된최대출력은 45 kw) 의레이저가판두께 16 mm 정도까지, YAG레이저로는 2 kw( 상품화된최대출력은 5 kw) 의레이저가판두께 2 mm 정도까지의각종구조물용접에실용화되어있다. 어느공정이라도종래의아크용접에대해고효율적인용접을실현시킬수있다. 특히 YAG 레이저는광섬유에의해유연성있게빛살의전송이가능하므로좁고깊은곳또는특수한환경 ( 수중이나방사선분위기등 ) 에서의용접이가능하므로실용화확대가기대된다. 62
구멍뚫기 집광시킨레이저광을재료에조사하면재료표면은순간적으로용융하여, 비등 ( 沸騰 ) 또는증발하여흩어진다. 이런현상을이용하면작고깊은구멍을뚫을수있다. 금속의구멍뚫기에는이산화탄소레이저나 YAG 레이저로첨두 (peak) 출력을높인펄스발진이사용되고있다. 최근, 엑시머레이저에의한고분자재료의공명 ( 孔明 ) 가공도주목받고있다. 레이저구멍뚫기의특징은가공불가능한난가공재에도비접촉으로수 μm 의미세가공인구멍뚫기가가능한것, 소재의열영향이극히적은것, 그리고자동화가용이한것등을들수있다 63
레이저선반 절삭에의한선반가공과달리, 펄스레이저광을가공부위에집속조사해서, 이것에의해일어나는증산작용등에의한가공을이용하는방법이다. 가공할입체형상자료를컴퓨터에기억시키고, 이자료에기초하여가공용펄스레이저장치를 ON/OFF 제어시키면서목표가공형상에근접해간다. 일반적인선반 가공에서는가공형상이회전체에한정되지만, 레이저선반에서는임의의입체형상가공이가능하다 64
레이저매니퓰레이션 (manipulation) 빛이미립자에의해산란될때포톤의운동량변화에따라서발생하는힘인 방사압 을이용해서, μm~nm 급의미립자를비접촉, 비파괴적으로포착해서자유자재로조작하는기술이다. Nd:YAG 레이저를레이저현미경과같은형태의광학계로집광해서, 단일미립자의분광, 미세가공및레이저애블레이션을하고, 레이저주사기술을조합하여복수의미립자를배열, 수송이나미소구조물의조립등이실현되어있다. 최근에는, 용액속의고분자에방사압을작용시켜서분자집합체를형성하는마이크로화학의연구가진행되고있다. 금속미립자광포착조작 단일고분자미립자의레이저애블레이션 고분자미립자의광배열조작 고분자미립자의마이크로머시닝 65
레이저계측 광검출간섭계측 레이저분석 광섬유센서 거리측정 위치및방향측정 흐름측정 환경계측 우주계측 비파괴검사 레이저현미경 레이저냉각 66
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