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청색 레이저

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목차

1. 개요

청색 레이저는 400~500nm 파장대의 빛을 내는 레이저로, 다양한 종류와 응용 분야를 가진다. 1960년대에는 가스 레이저가 주로 사용되었으나, 1990년대 초 나카무라 슈지에 의해 청색 반도체 레이저가 개발되면서 기술 발전을 이루었다. 청색 레이저는 직접 다이오드 반도체 레이저, 다이오드 펌핑 고체 레이저(DPSS), 가스 또는 이온 레이저로 분류되며, 블루레이 디스크, 프로젝터, 의료 기기 등 다양한 분야에서 활용된다.

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청색 레이저
개요
종류레이저
파장청색 파장
기술 정보
재료질화 갈륨 (GaN)
응용 분야산업
과학
특징
설명청색 파장의 빛을 방출하는 레이저

2. 역사

1960년대 이전과 1990년대 후반까지는 가스 레이저와 아르곤 이온 레이저가 흔하게 사용되었지만, 효율이 낮고(0.01%) 크기가 컸다.[4]

445–450 nm 청색 레이저 (가운데)


반도체 레이저 개발에 관한 자세한 내용은 하위 섹션을 참고하면 된다.

폴란드 기술은 일본 기술보다 저렴하다고 여겨지지만 시장 점유율은 더 작다. 또 다른 폴란드 회사인 Ammono는[15][16] 청색 다이오드에 사용되는 GaN 결정을 생산하지만 청색 레이저는 생산하지 않는다.

2. 1. 반도체 레이저 개발

1960년대에는 사파이어 생성 기술의 발전으로[6] 연구자들이 GaN(질화 갈륨)을 사파이어 기판에 증착하여 청색 레이저를 만들 수 있었다. 하지만 질화 갈륨과 사파이어 구조 사이의 격자 불일치로 인해 많은 결함 또는 전위가 발생하여 수명이 짧고(<10시간) 효율이 낮았다(<1%).[4] 질화 갈륨(GaN) 결정층 제조는 합성 다이아몬드를 만드는 환경과 유사하게 높은 질소 가스 압력과 온도가 필요했기 때문에 어려웠다.

1992년, 일본 니치아 화학의 나카무라 슈지는 InGaN 활성 영역, GaN 광 가이드, AlGaN 클래딩을 사용하여 최초의 청색 반도체 LED를 발명했고, 4년 후에는 최초의 저전력 청색 레이저를 발명했다.[7] 그러나 이득 매질의 결함은 여전히 너무 높아(106–1010 defects/cm2) 펄스 레이저를 사용하여 짧은(< 300시간) 수명을 가진 저전력 레이저를 만들었다.[11][12]

1990년대 초, 폴란드 과학 아카데미 고압 물리 연구소의 실베스터 포로프스키는 1제곱센티미터당 결함의 수가 100 미만인 고품질 구조를 가진 질화 갈륨 결정을 만들어내는 기술을 개발했다. 이는 사파이어를 기초로 질화 갈륨 결정을 증착시키는 것에 비해 1만 배 우수했다.[32]

1999년, 나카무라는 폴란드에서 생산된 GaN 결정을 사용하여 2배의 발진 출력을 가지고 10배 더 오래 지속되는(30mW에서 3,000시간) 레이저를 만들었다.[3]

2000년대에는 일본 제조업체들이 60mW의 출력을 가진 청색 레이저를 대량 생산하여 긴 수명을 가지게 되었고, 블루레이, BD-R 및 BD-RE에서 고밀도(청색의 짧은 파장으로 인해)의 고속 데이터 스트림을 읽는 장치에 적용할 수 있게 되었다.

나카무라 슈지는 2006년에 밀레니엄 기술상을,[8] 2014년에는 아카사키 이사무, 아마노 히로시와 함께 노벨 물리학상을 수상했다.[9][10]

3. 종류

청색 레이저는 크게 직접 다이오드 반도체 레이저, 다이오드 펌핑 고체 레이저(DPSS), 가스 또는 이온 레이저로 나눌 수 있다.


  • 직접 다이오드 반도체 레이저: 질화 갈륨(GaN) 또는 질화 인듐 갈륨(InGaN)을 이득 매질로 사용하여 제작된다.[17] InGaN 장치는 GaN (405 nm) 직접 다이오드 레이저보다 인간 눈에 더 밝게 인식된다.[18] 정전기 방전에 의한 손상을 막기 위해 제너 다이오드를 사용하기도 한다.[20] 펄스 또는 연속파 방식으로 구동될 수 있으며,[21] 광자 방출 방향에 따라 Edge Emitting 또는 Vertical Cavity Surface Emitting 방식으로 구성할 수 있다.

  • 다이오드 펌핑 고체 레이저 (DPSS): 1960년대부터 널리 사용된 직접 다이오드 적외선 반도체 레이저를 펌프 소스로 사용하며, BBO 또는 KTP와 같은 비선형 결정체를 통해 주파수 배가를 일으켜 청색광을 생성한다.[22] 2006년경에 출시된 청색 DPSS 레이저 포인터는 DPSS 녹색 레이저와 유사한 구조를 가지며, 일반적으로 473 nm 파장의 빛을 방출한다.[24] 이는 Nd:YAG 또는 Nd:YVO4 결정체에서 나오는 946 nm 레이저 방사선의 주파수를 배가하여 생성된다.[24] 고출력에는 BBO 결정체가, 저출력에는 KTP가 사용되며, 최대 5000 mW의 출력을 낼 수 있다. 그러나 변환 효율은 10~15% 정도로 낮아, 1000 mW IR 다이오드를 사용해도 최대 150 mW의 청색 DPSS 레이저 광선만 생성된다.[25]

  • 가스 또는 이온 레이저: 크고 비싼 장비로, 희귀 가스 혼합물의 인구 반전을 이용하며 효율이 낮아(0.01%) 고전류와 대규모 냉각이 필요하다.[4] 441.6 nm의 헬륨-카드뮴 가스 레이저나 458 및 488 nm의 아르곤 이온 레이저를 사용하여 청색 빔을 생성할 수 있다.

3. 1. 직접 다이오드 반도체 레이저

청색 직접 다이오드 반도체 레이저는 무기물인 질화 갈륨(GaN) 또는 질화 인듐 갈륨(InGaN) 이득 매질을 사용하여 제작할 수 있다.[17] InGaN 장치는 더 긴 파장이 인간 눈의 최대 감도에 더 가깝기 때문에 GaN (405 nm) 직접 다이오드 레이저보다 훨씬 밝게 인식된다.[18]

레이저용 인광 직접 다이오드 청색 유기 발광 다이오드는 수명이 짧아 실용적이지 않다(<200시간).[19]

정전기 방전 실패를 최소화하기 위해 제너 다이오드를 회로에 통합할 수 있다.[20]

반도체 레이저는 펄스 또는 연속파 방식으로 구동될 수 있다.[21] 반도체 레이저는 최종 사용 목적에 따라 레이저 매질 층에 수직(Edge Emitting) 또는 수평(Vertical Cavity Surface Emitting)으로 광자를 방출하도록 구성할 수 있다.

3. 2. 다이오드 펌핑 고체 레이저 (DPSS)

직접 다이오드 적외선 반도체 레이저는 1960년대부터 쉽게 구할 수 있으며, 주로 통신 레이저의 펌프 소스로 사용된다. 일반적인 비선형 결정체(BBO 또는 KTP)를 사용하여 청색 범위로 주파수 배가될 수 있다.[22] 주파수 배가가 공진기 방식으로 강화되면 1W 이상의 출력을 얻을 수 있으며, 400 nm 청색 레이저(2.6 W 출력)를 포함하여 가시 스펙트럼 전반에 걸쳐 와트급 광원을 생성할 수 있다.[23]

청색 DPSS 레이저 포인터는 2006년경에 처음 출시되었으며, DPSS 녹색 레이저와 동일한 기본 구조를 가지고 있다. 이들은 일반적으로 473 nm에서 빛을 방출하며, 이는 다이오드 펌핑된 Nd:YAG 또는 Nd:YVO4 결정체에서 나오는 946 nm 레이저 방사선의 주파수 배가를 통해 생성된다.[24] 네오디뮴이 도핑된 결정은 일반적으로 1064 nm의 주 파장을 생성하지만, 적절한 반사 코팅 거울을 사용하면 946 nm 전이와 같이 다른 비주 네오디뮴 파장에서도 레이저 발진을 할 수 있다. 고출력의 경우 BBO 결정체를 주파수 배가기로 사용하고, 저출력의 경우 KTP를 사용한다. 사용 가능한 출력은 최대 5000 mW이다. 473 nm 레이저 방사선 생성을 위한 변환 효율은 낮으며, 실험실에서 얻은 최고 결과 중 일부는 946 nm 레이저 방사선을 473 nm 레이저 방사선으로 변환하는 데 10~15%의 효율을 보인다.[25] 변환 효율이 낮기 때문에 1000 mW IR 다이오드를 사용하면 가시 청색 DPSS 레이저 광선이 최대 150 mW가 생성된다.

3. 3. 가스 또는 이온 레이저

청색 가스 레이저는 대형이며 고가 장비로, 희귀 가스 혼합물의 인구 반전에 의존하며, 낮은 효율(0.01%)로 인해 고전류와 대규모 냉각이 필요하다.[4] 청색 빔은 441.6 nm의 헬륨-카드뮴 가스 레이저 또는 458 및 488 nm의 아르곤 이온 레이저를 사용하여 생성할 수 있다.

4. 외관

405nm 자색 레이저(질화 갈륨 또는 주파수 배가 GaAs 레이저 다이오드에서 직접 구성된 경우)는 실제로는 파란색이 아닌, 인간의 눈이 매우 제한적인 감도를 가진 색상인 자색으로 보인다. 많은 흰색 물체(예: 흰 종이나 특정 세척 분말로 세탁한 흰 옷)에 비추면, 레이저 점의 시각적 외관이 자색에서 파란색으로 바뀌는데, 이는 형광에 의한 증백 염료 때문이다.[26]

"진정한 파란색"으로 보여야 하는 디스플레이 응용 분야의 경우, 445–450 nm의 파장이 필요하다.

5. 응용 분야



청색 레이저는 다음과 같은 다양한 분야에 응용된다.


  • 통신: 잠수함과의 통신[27] 등에 사용된다.
  • 프로젝터: DLP, 3LCD, 레이저 프로젝터, 휴대용 프로젝터 등
  • 전자 장비 및 환경 감시
  • 고화질 영상: 블루레이 플레이어 및 녹화
  • 정보기술: 레이저 각인 및 절단기[25][28]
  • 의료: 의료 진단, 유세포 분석[29], 의료 시술[30], 레이저 수술[31] (후두학, 음성 수술, 이과학, 비과학)
  • 고밀도 광전자 데이터 저장

참조

[1] 웹사이트 The Blue Laser and Its Applications in Industry and Science https://optlasersgra[...] 2023-06-23
[2] 웹사이트 GaN Nanowire Lasers http://nanowires.ber[...]
[3] 웹사이트 Master's Thesis GaN Blue based diodes https://researchrepo[...]
[4] 웹사이트 Blue lasers https://www.rp-photo[...] 2023-06-24
[5] 웹사이트 StackPath https://www.laserfoc[...] 2001-06-01
[6] 웹사이트 Sapphire Series Part 3: Modern Synthetic Sapphire Applications {{!}} Research & News http://www.gia.eduht[...] 2023-06-24
[7] 뉴스 NobelPrize.org Press Release (7 October 2014): The Royal Swedish Academy of Sciences has decided to award the Nobel Prize in Physics for 2014 to Isamu Akasaki (Meijo University, Nagoya, Japan and Nagoya University, Japan), Hiroshi Amano (Nagoya University, Japan) and Shuji Nakamura (University of California, Santa Barbara, CA, USA) “for the invention of efficient blue light-emitting diodes which has enabled bright and energy-saving white light sources” https://www.nobelpri[...] NobelPrize.org 2014-10-07
[8] 웹사이트 Nobel Prize Press Release https://www.nobelpri[...]
[9] 웹사이트 His Blue LEDs Changed How We Light Our World - IEEE Spectrum https://spectrum.iee[...] 2023-06-24
[10] 뉴스 Shuji Nakamura wins the 2006 Millennium Technology Prize http://www.gizmag.co[...] Gizmag.com 2006-05-17
[11] 웹사이트 A History of the Laser: 1960 - 2019 https://www.photonic[...] 2023-06-24
[12] 웹사이트 Pulsed lasers https://www.rp-photo[...] 2023-06-24
[13] 간행물 Near Defect Free GaN Substrates 1999-01-01
[14] 웹사이트 TGL https://topganlasers[...] 2023-06-24
[15] 웹사이트 The World's Best Gallium Nitride - IEEE Spectrum https://spectrum.iee[...] 2023-06-24
[16] 웹사이트 Home http://www.ammono.co[...] 2023-06-24
[17] 웹사이트 Product Selector - ams-osram - ams https://ams-osram.co[...] 2023-06-24
[18] 웹사이트 Peak Sensitivity - an overview {{!}} ScienceDirect Topics https://www.scienced[...] 2023-06-24
[19] 간행물 Hot excited state management for long-lived blue phosphorescent organic light-emitting diodes 2017-05-31
[20] 웹사이트 Nichia Laser Diode Spec Sheet https://led-ld.nichi[...]
[21] 웹사이트 Continuous-wave operation https://www.rp-photo[...] 2023-06-24
[22] 웹사이트 Nonlinear crystal materials https://www.rp-photo[...] 2023-06-24
[23] 문서 "U. Eismann et al., Active and passive stabilization of a high power violet frequency-doubled diode laser, ''CLEO: Applications and Technology, pages JTu5A-65'' (2016)"
[24] Youtube Lasers - Direct Diode vs Diode-Pumped Solid-State (DPSS) https://www.youtube.[...] 2020-06-13
[25] 웹사이트 The Blue Laser and Its Applications in Industry and Science https://optlasersgra[...] 2023-06-24
[26] 웹사이트 What's the difference between laser phosphor and RGB laser? https://www.barco.co[...] 2023-06-24
[27] 웹사이트 Defense Advanced Research Projects Agency Strategic Plan https://apps.dtic.mi[...] 2009-05-01
[28] 웹사이트 Kilowatt class Lasers https://www.optica-o[...]
[29] 웹사이트 Lasers and Dyes for Multicolor Flow Cytometry https://www.bdbiosci[...] 2023-06-24
[30] 웹사이트 WOLF Diode Laser CO2 Laser - Blue Laser ENT https://www.arclaser[...] 2023-06-23
[31] 웹사이트 Laser Surgery https://mevoc.de/las[...] 2024-09-11
[32] 뉴스 Sylwester Porowski: blue laser http://www.poland.go[...] Poland.gov.pl 2001-12-12
[33] 웹사이트 TopGaN technology of blue/violet laser diodes http://www.topgan.fr[...]
[34] 웹사이트 A little Polish company you've never heard of is beating the tech titans in a key technology of the 21st century http://spectrum.ieee[...]
[35] 웹사이트 Home Site – Ammono – semiconductor manufacturing http://www.ammono.co[...]
[36] 뉴스 Shuji Nakamura wins the 2006 Millennium Technology Prize http://www.gizmag.co[...] Gizmag.com 2006-05-17
[37] 논문 Blue laser diode (LD) and light emitting diode (LED)applications
[38] 간행물 NobelPrize.org Press Release (7 October 2014): The Royal Swedish Academy of Sciences has decided to award the Nobel Prize in Physics for 2014 to Isamu Akasaki (Meijo University, Nagoya, Japan and Nagoya University, Japan), Hiroshi Amano (Nagoya University, Japan) and Shuji Nakamura (University of California, Santa Barbara, CA, USA) “for the invention of efficient blue light-emitting diodes which has enabled bright and energy-saving white light sources” https://www.nobelpri[...]


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