[해외기술동향] "SHG레이저" 다시 햇빛 본다

차세대 디지털다기능디스크(DVD)의 주력 광원으로 청색반도체레이저가 유력시되고 있는 가운데 최근 일본에서는 이와 대등하게 경합할 것으로 예상되는 실용성이 매우 높은 새 레이저가 개발돼 눈길을 끌고 있다.

마쓰시타전기산업이 개발한 차세대 SHG(second harmonic generation : 제2고조파발생)레이저가 그것으로 DVD 기록밀도를 현재의 두배 이상으로 높일 수 있는 성능과 1천엔을 밑도는 가격 및 3x13x3mm 크기의 작은 외형 등 거의 모든 면에서 청색반도체레이저에 뒤지지 않는 실용성을 갖춰 주목되고 있다.

사실 SHG레이저는 이미 지난 80년대 후반부터 90년대 초에 걸쳐 마쓰시타를 비롯한 소니, 미쓰비시전기, 후지쯔 등 관련업체들이 개발에 주력해 온 것으로 결코 새로운 방식은 아니다.

이들 업체가 SHG레이저에 매달리게 된 이유는 당시만 해도 청색반도체레이저의 실용화가 오는 2000년 이후에나 가능할 것으로 전망돼 광디스크제조업계가 그 중간 단계로 이 SHG레이저에 높은 관심을 보였기 때문이다.

그러나 지난 93년 소니가 ZnSe(셀렌아연)계열의 재료를 사용한 청색반도체레이저에서 실온연속발진에 성공함으로써 SHG레이저의 앞날은 급변했다. 청색반도체레이저가 실용화될 경우 당시 실용화할 수 있는 SHG레이저 성능으로는 경쟁이 불가능하기 때문으로, 이에 따라 업체들도 줄줄이 손을 떼 개발 열기도 순식간에 식었다.

당시 SHG레이저의 취약점은 두가지로 청색반도체레이저에 비해 외형이 크고 코스트가 높다는 점이었다.

이 두가지 문제는 사실 SHG레이저의 원리에서 비롯된다. SHG레이저에서는 청색 빛을 얻기 위해 적외반도체레이저 이외에도 파장을 절반으로 줄이는 역할을 하는 SHG소자와 레이저 빛을 SHG소자에 인도하는 광학소자를 필요로 한다.

이 두가지 소자를 채택하는 것만으로도 SHG레이저는 외형이 커지고 비용도 불어나게 돼 청색반도체레이저와는 경쟁할 수 없게 되는 것이다.

이 때문에 자연 개발 속도는 급속도로 떨어졌으나 마쓰시타만은 개발을 계속해 마침내 소형이면서도 동시에 저비용을 실현한 제품을 개발하는데 성공한 것이다.

마쓰시타의 레이저는 크게 파장가변(可變) 적외반도체레이저와 SHG소자로 구성되는데 8백50nm의 레이저 빛을 입사하면 SHG소자로부터는 4백25nm의 청색광이 나온다.

특히 SHG소자에 QPM(quasi phase matching : 疑似位相整合)이라는 방식을 채용한 게 특징이다. QPM을 이용하면 온도가 변했을 때 위상정합(전지 따위의 기전력을 가변회로에 삽입할 때 적당히 회로를 바꾸면서 출력을 조정하는 것) 조건이 바뀌고 청색 빛의 출력이 감소하게 된다.

이 SHG소자 구조는 LiNbO3(삼산화니켈니오브) 기판 표면에 분극(分極)방향을 반전(反轉)시킨 영역을 일정 간격으로 설정하는 방법으로 일단 갖춰진다.

이어 빛 파장이 지나가는 길, 즉 광도파로(光道波路)를 분극반전영역과 직각을 이루게 형성하고 그 위에 굴절률이 높은 Nb2O5(오산화니오브)층을 기판 전체에 덮어 막을 형성한다.

이같이 제작한 SHG소자에 반도체레이저 빛을 쏘면 기판의 광학적 비선형성(非線形性)에 의해 제2고조파성분(파장이 절반으로 줄어든 빛)이 발생하게 된다.

또 기판재료에는 MgO(산화마그네슘)을 첨가한 LiNbO3를 사용하고 있는데, 이 점은 적외레이선 빛을 청색레이저 빛으로 변환하는 효율을 높이고, 문제가 돼 온 비용과 외형 크기도 낮추는 데 결정적 요인으로 작용한다.

이 MgO을 첨가한 LiNbO3는 비선형 정수가 이전에 사용했던 LiTaO3(삼산화니켈탄탈)에 비해 약 3배 크다. SHG소자에서 변환 효율이 약 3배 높아진 것이다.

이 때문에 SHG소자를 짧게 하는 것이 가능할 뿐아니라 레이저 빛을 소자에 직접 입사할 수 있게 돼 종전의 필수품인 광학소자는 불필요하게 된다.

이 결과 SHG소자 크기를 종전의 약 2백분의 1 수준인 10x0.5x0.5mm로 줄일 수 있게 됐다.

동시에 1장의 웨이퍼에서 생산할 수 있는 SHG소자 수도 늘어 제품 가격을 1천엔 밑으로 낮출 수 있게 된 것이다. 앞으로는 소자 제조가격을 수십엔정도로 낮출 수 있는 것으로 마쓰시타측은 내다보고 있다.

마쓰시타는 이 레이저를 올해 안에 출하하기로 방침을 정하고 현재 실장방법 확립 등 제품화를 서두르고 있다.

마쓰시타는 출하개시 시점에서 레이저의 광출력이 최대 약 30mW에 이를 것으로 예상하고 있다. 이 정도면 DVD용 광원으로 사용할 경우 기록밀도를 현행 DVD의 약 2.5배로 높일 수 있는 성능이다. 이로써 고성능, 저가화로 재무장한 SHG레이저는 청색반도체레이저로 이어지는 가교 제품에 머무르지 않고 대등히 경쟁하는 제품으로까지 발전해 나갈 것으로 예상된다.

<신기성 기자>