본 연구에서는 변형률 보상과 두 포논 공진 설계를 결합한 양자 캐스케이드 레이저(QCL)를 제시한다. 표준 매립형 1차 격자와 매립 헤테로구조(BH) 공정을 통해 ~4.76µm에서 발광하는 분산 피드백(DFB) 레이저를 제작하였다. 전면 면에 최적화된 반사 방지(AR) 코팅을 적용함으로써, 모든 주입 전류와 온도 조건에서 모드 홉(mode hop) 없이 안정적인 단일 모드 발광을 달성하였다. AR 코팅은 Al₂O₃와 Ge의 이중층 유전체로 구성된다. 2mm 길이의 레이저 공진기에서 AR 코팅된 DFB-QCL의 최대 출력 전력은 20°C에서 170mW 이상이며, 연속파(CW) 모드에서 높은 벽면 플러그 효율(WPE) 4.7%를 나타낸다.
중적외선 양자 캐스케이드 레이저(QCL)는 가스 감지, 자유 공간 통신, 고해상도 분광학 등 다양한 상업적 응용 분야에서 가장 유망한 광원 중 하나이다. 이러한 실용적 응용 분야에는 높은 출력, 향상된 단일 모드 신뢰성, 저비용의 QCL이 요구된다. 그 결과, 1997년 첫 DFB-QCL이 시연된 이후, 이 소자들의 성능은 중적외선 영역에서 실온 연속파(CW) 고출력 동작이 입증되면서 크게 향상되었다[7-10]. 그러나 매립 격자 구조 기반의 대부분의 DFB-QCL은 레이저 주파수 모드를 결정하는 무작위적인 클리브드 면(cleaved facet) 문제를 안고 있다. 두 밴드 에지 모드에서 동일한 양의 손실이 발생하기 때문에 안정적인 단일 모드 동작을 보장할 수 없다[11]. 특히 고온 조건이나 큰 주입 전류에서는 모드 홉이 항상 발생하며, 이는 단일 모드 소자의 응용에 해롭다.
안정적인 단일 모드 동작을 얻기 위해 격자 주기에 1/4 파장 위상 시프트(λ/4 PS)를 도입하여 레이저가 결함 모드에서 작동하도록 함으로써 두 밴드 에지 모드 간의 경쟁을 피할 수 있다. 하지만 λ/4 PS 격자 제작에는 전자빔 리소그래피가 필요하여 시간과 비용이 많이 든다[12]. 이득 결합 DFB 레이저는 기존 반도체 레이저에서 안정적인 단일 모드 동작을 달성하기에 좋은 선택이다[13]. 그러나 활성 영역 식각으로 인한 큰 손실 때문에 QCL에서 이득 결합 DFB 레이저를 만드는 것은 비현실적이다. 또 다른 기발한 방법은 공진기 손실 결합 메커니즘을 이용해 두 DFB 모드 간의 손실 차이를 늘리는 것이다. 적절한 반사율 면 코팅이 고온과 큰 전류에서도 안정적인 단일 모드 동작을 달성할 수 있다고 여겨진다. 면 코팅에 대한 연구가 일부 있지만, 이들은 주로 레이저의 벽면 플러그 효율(WPE)을 보존하기 위한 최적의 등가 공진기 길이 L_opt 형성에 초점을 맞추고 단일 모드 신뢰성에는 관심을 두지 않았다[14, 15]. 또한 최적화된 반사율 코팅은 두 DFB 모드 간의 경쟁성을 해결하는 유망한 방법으로 체계적인 조사가 필요하다.
본 논문에서는 반사 방지(AR)/고반사(HR) 코팅 후 λ ≈ 4.76µm에서 DFB-QCL의 안정적인 단일 모드 동작을 제시한다. AR 코팅은 Al₂O₃(380nm)와 Ge(33nm)의 이중층 유전체로 구성된다. 이 소자들은 20°C에서 0.65kA/cm²의 매우 낮은 임계 전류 밀도를 나타낸다. 90°C까지의 온도에서 CW 동작 시 26dB 이상의 측면 모드 억제 비율(SMSR)을 가진 단일 모드 발광이 모드 홉 없이 달성된다. 전면 면의 반사 방지 코팅이 공진기 면의 무작위 위상을 억제하는 데 매우 유용하다고 판단된다.
유한 DFB 공진기에서 반사 방지 코팅 효과에 대한 시뮬레이션의 핵심은 두 밴드 에지 모드의 모드 손실 계산이다. 전달 행렬 방법(Transfer matrix method)은 전체 레이저 구조를 분석하는 적절한 방법이다[16, 17]. 도 1과 유사한 종방향 굴절률 프로파일을 가진 소자에 이 방법을 적용하는 것을 고려한다. 이 개략도는 작은 유효 지수 섭동(n_eff,1, n_eff,2)과 코팅 박막(n_3, n_4)을 가진 격자가 가이드 모드에 미치는 영향을 보여준다. 계산에 사용된 주요 물질의 복소 굴절률은 다음과 같다: InP (3.088 + i×2×10⁻⁴), InGaAs (3.4 + i×2.9×10⁻⁵), 활성 영역 (3.298 + i×4×10⁻⁵), 고농도 도핑 InP (2.81 + i×1.4×10⁻²), SiO₂ (1.3603 + i×6.3×10⁻⁴), Au (1.341 + i×32.582), Al₂O₃ (1.5348 + i×3.2967×10⁻³), Ge (4.0165 + i×4×10⁻²). 그런 다음 COMSOL의 편미분 방정식(PDE) 기능을 통해 서로 다른 유효 지수 n_eff,1 = 3.1599 + i×5.17×10⁻⁵과 n_eff,2 = 3.1662 + i×5.6756×10⁻⁵를 도출하였다. 레이저가 단일 횡모드로 동작한다고 가정하면, 레이저 공진기를 따라 각 지점에서 빛의 전파 특성은 단일 스칼라 복소량 k(매질의 파동 벡터)로 설명된다. 또한 레이저가 선편광이며 연관된 전기장이 e^(iωt)의 정현파 시간 의존성을 가진다고 가정한다. 위의 가정을 바탕으로 평면 전자기파 인자 E_z는 헬름홀츠 방정식을 만족한다.
시뮬레이션 결과(도 2a)에 따르면, 두 빨간 곡선으로 표시된 고주파 모드 손실은 반사율 감소에 따라 매우 느리게 변하는 반면, 저주파 모드 손실은 급격히 증가한다. 인셋은 격자의 단일 주기에 대해 계산된 저주파 및 고주파 모드의 모드 프로파일을 보여준다. 저주파 모드는 격자 피크(격자의 높은 지수 부분)에서 더 높은 전기장 크기를 가지며, 고주파 모드는 격자의 낮은 지수 부분에 더 집중되어 있다. 면 반사율이 없는 무한 공진기 모델에서는 고주파 모드가 항상 저주파 모드보다 낮은 모드 손실을 가진다. 종단 면 거울의 효과를 무시할 수 있다면, 더 작은 도파로 손실을 가진 고주파 모드가 항상 레이징할 것이다. 그러나 종단 면 거울의 존재는 DFB 모드와 건설적 또는 파괴적으로 간섭하는 반사를 유발한다. 이 간섭은 각 모드의 유한 격자-공진기 손실에 영향을 미치며 어떤 모드가 레이징할지 결정할 수 있다. 거울의 효과는 두 거울의 위치가 한 DFB 모드의 전기장 진폭 피크와 일치할 때(다른 DFB 모드의 노드이기도 할 때) 가장 크다. 여기서는 코팅되지 않은 면의 거울이 저주파 모드의 피크와 일치하므로, 종단 거울로부터의 반사가 레이저 공진기 내에 존재하는 모드와 최대 건설적 간섭을 일으킨다. 이는 거울의 건설적 기여로 인해 총 모드 손실이 감소하는 결과를 낳는다. 이중층 AR 코팅을 사용해 반사율이 감소하고 추가적인 위상 변화 영향이 생기면, 저주파 모드의 손실은 약화된 간섭 효과와 증가된 거울 손실로 인해 반사율 감소에 따라 점차 증가한다. 한편, 고주파 모드의 손실은 강화된 간섭 효과로 인해 약간만 변한다. 그 결과 Δ 모드 손실은 전면 면 반사율이 0.15 미만일 때 특히 지수 함수와 유사하게 작동한다. 시뮬레이션에 따르면 전면 면 반사율이 0.11 미만일 때 전체 스펙트럼 내에 오직 하나의 최소점만 존재하므로, 다른 밴드 에지 모드의 손실이 너무 높아 레이징할 수 없으므로 이론적으로 모드 홉이 발생하지 않는다.
도 2b는 시뮬레이션 중 세 가지 대표적인 모드 손실 스펙트럼을 보여주며, 고주파 및 저주파 모드는 각각 4.762µm과 4.779µm이다. 첫 번째는 AR 코팅 없는 DFB-QCL로, 격자 피드백에서 기인한 스톱밴드가 명확히 보이고 두 밴드 에지 모드가 거의 같다. 두 번째는 반사율 0.22인 200nm Al₂O₃과 5nm Ge의 특정 AR 코팅으로, 두 밴드 에지 모드 간의 차이가 뚜렷해지기 시작한다. 마지막은 더 낮은 반사율 코팅으로, Δ 모드 손실이 매우 커서 저주파 모드가 스톱밴드 손실 아래로 잠긴다. 이론적으로 반사율이 낮을수록 Δ 모드 손실이 커지지만, 극도로 낮은 반사율은 소자에서 거대한 거울 손실을 유발해 WPE를 급격히 떨어뜨린다. 이는 실험을 기반으로 박막 두께를 선택하는 트레이드오프이다.
QCL 웨이퍼는 Si 도핑(3×10¹⁷cm⁻³) InP 기판 위에 고체 소스 분자 빔 에피택시(MBE)로 성장시켰으며, 두 포논 공진 설계를 기반으로 한다. 활성 코어는 40단계의 변형률 보상된 In₀.₆₆₉Ga₀.₃₃₁As/In₀.₃₆₂Al₀.₆₃₈As 양자 우물과 장벽으로 구성되며, 이는 참고문헌 [18]과 유사하다. 층 구조는 다음과 같다: 2µm 하부 InP 클래딩층(Si, 2.5×10¹⁶cm⁻³), 0.3µm 두께의 격자 정합 In₀.₄₇Ga₀.₅₃As층(Si, 4×10¹⁶cm⁻³), 40단계 활성/주입기, 0.3µm 두께의 In₀.₄₇Ga₀.₅₃As층(Si, 4×10¹⁶cm⁻³), 3µm 상부 InP 클래딩층(Si, 2.5×10¹⁶cm⁻³), 0.7µm 고농도 도핑 InP 클래딩층(Si, 5×10¹⁸cm⁻³). 활성 영역의 평균 도핑 농도는 경험적으로 2.4×10¹⁶cm⁻³로 조정되었다. 매립 격자를 제작하기 위해 상부 클래딩을 상부 InGaAs층까지 제거하였다. 주기 Λ = 0.755µm(듀티 사이클 σ = 20%)의 1차 DFB 격자를 300nm 두께의 상부 InGaAs층 위에 홀로그래픽 리소그래피 기술로 정의하고 습식 화학 식각으로 약 90nm 깊이까지 식각하였다. 이후 저농도 도핑(Si, 2.5×10¹⁶cm⁻³) 3µm 두께 InP층, 0.2µm 점진적 도핑(1×10¹⁷cm⁻³에서 3×10¹⁷cm⁻³으로 변화) InP층, 0.5µm InP(5×10¹⁸cm⁻³) 콘택트층을 금속 유기 화학 기상 증착법(MOVPE)으로 순차적으로 성장시켜 상부 클래딩을 완성하였다.
격자 패턴 구현과 재성장 후, 에피 웨이퍼를 10µm 폭의 리지 형태로 식각하고, 웨이브가이드를 MOVPE 시스템에 다시 넣어 반절연 InP(Fe)로 매립하였다. 리지 주변 절연을 위해 450nm 두께의 SiO₂층을 플라즈마 강화 화학 기상 증착법(PECVD)으로 증착하고, Ti/Au층으로 전기 콘택을 제공하였다. 추가로 5µm 두께의 금층을 전기 도금하여 방열을 더욱 개선하였다. 웨이브가이드를 2mm 길이의 바로 클리브하고, 최적화된 반사율 면 코팅이 된 소자로 테스트를 수행하였다. 후면 면 HR 코팅은 Al₂O₃/Ti/Au/Ti/Al₂O₃(400/5/100/10/200nm)로, 전면 면 AR 코팅은 Al₂O₃/Ge(380/33nm)로 구성되며 전자빔 증착법으로 증착하였다. 계산된 전면 면 반사율은 4.76µm 파장에서 3.4%이며, 코팅 두께 변동과 반사율 간의 상세한 관계는 이전에 발표된 논문[19]에서 논의하였다. 레이저는 In 납땜으로 SiC 히트 싱크에 에피층 쪽을 아래로 향하게 장착하고 와이어 본딩으로 외부 콘택 패드에 연결하였다. 분광 및 전기적 특성 평가를 위해 레이저를 펠티어 소자에 장착하고 서미스터로 히트 싱크 온도를 모니터링하였다.
도 3은 브루커 Vertex 70 FTIR과 질소 냉각 HgCdTe 검출기로 측정한, 전류 증가에 따라 일렉트로루미네선스에서 레이징으로 동적으로 변화하는 서브 임계 발광 스펙트럼을 보여준다. 임계값 바로 위의 레이저 스펙트럼은 소자가 기본 모드에서 동작함을 나타내며, 전류 285mA에서 기본 모드의 스톱밴드를 명확히 확인할 수 있다. 스톱밴드 폭 Δν = 3.076cm⁻¹과 유효 지수 n_eff = 1/(2νΛ) = 3.153으로부터 결합 계수 κ = Δν·π·n_eff = 30.4cm⁻¹을 계산할 수 있으며, 이는 HR 코팅된 2mm 길이 공진기에서 결합 곱 κL = 12.1에 해당하여 소자 제작과 잘 일치한다. κL 곱이 이전 이론적 조사 κL ≈ 1[20]보다 훨씬 크다는 것은 과결합(overcoupled) 방식이 얻어졌음을 의미하며, 이는 전체 전류 및 조사된 온도 범위에서 단일 모드를 확보하는 데 유리하다.
도 4a는 20~90°C의 다양한 히트 싱크 온도에서 DFB 레이저의 전형적인 CW 전력-전류-전압(P-I-V) 곡선을 보여준다. 2mm 길이 소자의 출력 전력은 20°C에서 0.65kA/cm²의 낮은 임계 전류 밀도로 200mW에 도달한다. 20~90°C 온도 범위에서 임계 전압(V_th) 13.2~14.2V가 측정되었다. 주목할 점은 모드 홉이 60°C 이하의 낮은 히트 싱크 온도에서만 존재하며, 이는 P-I 곡선에서 쉽게 유추할 수 있다. 높은 히트 싱크 온도는 레이저 코어에 더 심한 열 축적을 유발하여 열 효과가 다른 모드의 레이징을 억제하므로 모드 홉이 발생하지 않는다. 도 4b는 전면 면에 반사 방지(AR) 코팅(반사율 3.4%)을 증착한 DFB 레이저의 P-I-V 곡선이다. 모든 매끄러운 P-I 곡선은 측정된 온도 전체에서 모드 홉이 없음을 나타낸다. 도 4c, d는 20°C에서 150~250mA 전류 범위(25mA 단계)에서의 레이징 스펙트럼이다. 도 4d에서 최적화된 AR 면 코팅으로 다양한 전류에서 안정적인 단일 모드를 달성한 반면, 도 4c에서는 모드 홉이 발생함을 명확히 알 수 있다. 주파수는 주입 전류와 항상 선형 관계를 유지하며, 전류 튜닝 계수 Δν/ΔI = -0.024cm⁻¹mA⁻¹은 AR 코팅이 DFB-QCL의 모드 홉 문제를 해결하는 단순하고 효율적인 방법임을 입증한다.
도 5는 20~90°C의 다양한 히트 싱크 온도에서 코팅된 DFB 레이저의 발광 스펙트럼을 보여준다. 측정은 0.25cm⁻¹ 분해능의 NICOLET 8700 FTIR 분광계로 신속 스캔 모드에서 수행되었다. 90°C의 고온에서 26dB의 측면 모드 억제 비율(SMSR)로 전체 조사 온도 범위에서 단일 종방향 모드 발광이 관찰된다. 도 5의 인셋에 표시된 바와 같이, 피크 발광 스펙트럼은 20°C에서 2100.4cm⁻¹에서 90°C에서 2088.6cm⁻¹으로 이동하며, 온도 튜닝 계수 Δν/ΔT = -0.168cm⁻¹K⁻¹에 해당한다. 양호한 선형 튜닝은 히트 싱크 온도 변화 동안 모드 홉이 발생하지 않았음을 나타낸다. 또한, 모든 소자는 정확한 리지 폭 제어로 인해 기본 모드에서 CW 동작 시 단일 측면 파필드를 보인다.
CW 벽면 플러그 효율(WPE)을 계산하여 입력 전기 전력 소모 함수로 도 6에 도시하였다. 20°C에서 240mA 부근에서 출력 전력 170mW로 최대 WPE 4.7%를 얻었다. 50°C와 90°C에서도 최대 WPE가 각각 2.9%와 0.8%로 유지되었다. 현재까지 이러한 값들은 높은 재료 품질과 최적화된 반사율 면 코팅 덕분에 저임계 DFB-QCL로는 매우 높은 수준이다. 레이저 공진기 길이를 코팅 효과를 고려해 최적화하면 WPE를 더욱 개선할 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구에서는 λ ≈ 4.76µm에서 단일 모드 DFB-QCL의 실온 CW 동작을 시연하였다. 전면 면에 이중층 유전체 Al₂O₃와 Ge로 구성된 AR 코팅을 증착함으로써, 모든 전류와 온도 조건에서 모드 홉 없는 안정적인 단일 모드 동작을 성공적으로 실현하였다. 20°C에서 0.65kA/cm²의 매우 낮은 임계 전류 밀도로 170mW의 높은 CW 출력 전력을 관찰하였다. 이러한 소자는 중적외선 영역에서 안정적인 단일 모드 DFB-QCL의 실용적 응용을 향한 중요한 발걸음이다.
나노물질
회로 미세화·고밀도화 추세로 컨포멀 코팅 중요성이 급증하고 있습니다. 습기·극한 온도·먼지로부터 PCB를 보호하고, 절연·응력 완화·복잡한 인클로저 대체 효과까지 있는 컨포멀 코팅. 최적 소재 선정을 위한 12가지 전문가 기준을 제시합니다. 1. 컨포멀 코팅의 핵심 기능 부식·환경 요소 차단, 절연재 역할, 조립 응력 완화, 복잡한 인클로저 불필요화, 곰팡이·열·습기·공기 중 오염물질 차단으로 수명 연장. 2. 주요 소재 분류 및 특성 아크릴 수지: 범용 보호, 적당 탄성, 중급 내습·유전 강도, 제거 용이 에폭시 수지: 경질 피
코팅 및 도장 로봇은 일반 로봇과 다르게 제작됩니다. 방폭형 암을 장착해 인화성 가스를 발생시키는 코팅제를 안전하게 분사할 수 있도록 설계되었습니다. 코팅제는 주로 용제 기반 페인트로 화재 위험이 있어, 코팅 로봇은 휘발성 환경에서도 안전하게 작동하며 팬 에어, 분무 에어, 유체 흐름, 전압 등 분사 파라미터를 정밀 제어합니다. 열분사 코팅 열분사 코팅은 기판에 코팅해 기능성을 향상시키는 공정으로, 고온·마모·부식으로부터 부품을 보호합니다. 열분사 코팅 유형은 열에너지와 운동에너지를 소재에 전달하는 방식에 따라 달라지며, 플라즈마,
