최초의 종류의 크리스탈 레이저, 더 안전한 센서와 더 스마트한 기술에 동력을 제공할 수 있다

과학자들은 깨지기 쉬운 공기 구멍 대신 숨겨진 고체 물질 층을 사용하여 더 안전하고 스마트한 레이저를 개발했습니다. 그 결과, 차량, 로봇 공학 등에 큰 잠재력을 지닌 획기적인 디자인이 탄생했습니다. 출처: Shutterstock

일리노이 대학교 어바나-샴페인 캠퍼스 그레인저 공과대학 연구진은 이 분야에서 최초로, 매립형 유전체 광결정 표면 발광 레이저를 이용하여 상온에서 눈에 안전한 파장으로 광펌핑 레이저를 생성했다고 보고했습니다. IEEE 포토닉스 저널 에 게재된 이 연구 결과는 기존 레이저 설계를 개선하고 방위 산업 분야의 새로운 지평을 열었습니다.

전기 및 컴퓨터 공학과 켄트 쇼켓 교수 연구실은 수십 년 동안 스마트폰, 레이저 프린터, 바코드 스캐너, 심지어 자동차까지 다양한 기기에 사용되는 표면 방출 레이저의 일종인 VCSEL을 연구해 왔습니다. 그런데 2020년 초, 쇼켓 교수 연구실은 광결정 표면 방출 레이저(PCSEL)라는 새로운 유형의 레이저를 개발한 일본 연구팀의 획기적인 연구에 관심을 갖게 되었습니다.

PCSEL은 광결정층을 사용하여 고휘도, 좁고 둥근 스팟 크기와 같은 매우 바람직한 특성을 가진 레이저 빔을 생성하는 새로운 반도체 레이저 분야입니다. 이 유형의 레이저는 전장 지도 작성, 항법 및 표적 추적에 사용되는 원격 감지 기술인 LiDAR와 같은 방위 산업 분야에 유용합니다. 공군 연구소의 자금 지원을 받아, 쇼케트의 연구팀은 이 새로운 기술을 연구하고 성장하는 분야에서 자체적인 발전을 이루고자 했습니다.

"PCSEL은 미래에 매우 중요할 것이라고 생각합니다."라고 이 논문의 주저자인 전기 및 컴퓨터 공학 대학원생 에린 래프터리는 말했다. "PCSEL은 아직 산업적으로 성숙 단계에 이르지 못했고, 우리는 그 발전에 기여하고 싶었습니다."

PCSEL은 일반적으로 반도체 재료가 주변에서 재성장한 후 소자 내부에 매립되는 공기 구멍을 사용하여 제작됩니다. 그러나 반도체 원자는 스스로 재배열하여 이러한 구멍을 채우는 경향이 있어 광결정 구조의 무결성과 균일성을 저해합니다. 이 문제를 해결하기 위해 일리노이 그레인저(Illinois Grainger)의 엔지니어들은 공기 구멍을 고체 유전체로 교체하여 재성장 과정에서 광결정의 변형을 방지했습니다. 연구진은 광결정층의 일부로 반도체 재성장 내부에 이산화규소를 매립함으로써, 유전체가 매립된 PCSEL의 개념 증명 설계를 최초로 구현할 수 있었습니다.

"처음 유전체 재성장을 시도했을 때는 그것이 가능한지조차 몰랐습니다."라고 래프터리는 말했다. "반도체 성장의 경우, 이상적으로는 베이스층부터 윗층까지 매우 순수한 결정 구조를 유지해야 하는데, 이산화규소와 같은 비정질 물질로는 이를 달성하기 어렵습니다. 하지만 실제로 유전체 주변을 따라 측면으로 성장하고 그 위에서 합쳐지는 데 성공했습니다."

이 분야의 연구자들은 향후 20년 안에 이 새롭고 개선된 레이저가 자율주행차, 레이저 절단, 용접, 그리고 자유 공간 통신에 사용될 것으로 예상합니다. 그동안 일리노이 엔지니어들은 현재 설계를 개선하여, 레이저를 전류원에 연결하여 전원을 공급할 수 있도록 전기 접점을 갖춘 동일한 장치를 개발할 것입니다.

"이러한 결과를 얻기 위해서는 에린과 민주당 래리 리 그룹 구성원들의 전문 지식, 그리고 라이트-패터슨 공군기지 공군 연구소의 시설과 전문 지식이 모두 필요했습니다."라고 쇼켓은 말했습니다. "다이오드 PCSEL 작동을 기대하고 있습니다."

켄트 초켓은 일리노이 그레인저 공과대학(Illinois Grainger Engineering)의 전기 및 컴퓨터 공학 교수이며, 홀로니악 마이크로 및 나노기술 연구소(Holonyak Micro & Nanotechnology Laboratory) 소속입니다. 초켓은 아벨 블리스 공학 교수직을 맡고 있습니다.

민주 래리 리는 일리노이 그레인저 공과대학 전기 및 컴퓨터 공학과 교수이며, 홀로니악 마이크로 및 나노기술 연구소 소장입니다. 리는 인텔 동문 기부 교수 장학생입니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/07/250711224310.htm