레이저 기술의 다양한 활용과 시장 경쟁력 강화

 

반도체 레이저

영의 간섭 실험과 파동설

공간적 결맞음

영의 실험은 파동설을 설명하기 위한 간섭실험이다. 두 개의 슬릿 A와 B를 설치하고 막을 놓으면, 막 위에는 선명한 간섭무늬가 나타난다. 이를 통해 공간적인 위상의 상관관계를 확인할 수 있다.

광속의 파면을 렌즈로 집속하면 각 파면은 질서를 갖게 되어 공간적 결맞음을 보여준다. 이는 광속 파면의 위상이 정돈되어 있음을 의미하며, 두 점이 위치적으로 위상관계를 갖는 것을 나타낸다.

시간적 결맞음

시간적으로 결맞는 광은 서로 다른 시각에서도 상관관계가 있는 광을 의미한다. 광의 위상관계가 동일하거나 90도의 위상차를 갖는 경우 이러한 결맞음이 일어난다.

자연광의 간섭

태양이나 전등의 광은 규칙적이지 않아 중첩시키면 간섭현상을 관찰할 수 없다. 이는 자연광이 파열의 집합체이기 때문으로, 시‧공간적으로 평균화돼 규칙적인 간섭을 보이지 않는다.

영의 간섭 실험과 파동설에서는 간섭이라는 현상이 어떻게 발생하는지에 대해 다뤄지고 있습니다. 간섭은 파동이 만나서 상호작용할 때 발생하는 현상으로, 특히 파장과 진폭의 결합을 통해 새로운 무늬나 색이 형성됩니다. 이 현상은 빛뿐만 아니라 파동의 형태에서도 나타날 수 있으며, 자극을 받아 광자를 방출하는 레이저와 같은 기술에서도 중요한 역할을 합니다. 간섭무늬가 관찰되는 예시로는, 특정 파장에서만 간섭하여 멋있는 무지개 색을 볼 수 있는 것이 있습니다. 이는 간섭의 한 형태이며, 특별한 조건이 충족될 때에만 나타나는 현상입니다. 물론 이러한 간섭이 발생한다고 해서 그것이 자연광을 결맞는 광이라고 단정짓지는 않습니다. 실제로 광의 결맞음은 각 광의 속성에 따라 다르며, 어떤 경우에는 극단적으로 결맞음이 부재하는 경우도 있을 수 있습니다. 파의 간섭 현상은 파동의 성질에서도 나타납니다. 두 곳에서 파가 만나 서로 상호작용할 때, 파의 진폭이 큰 곳에서는 더 큰 파가 형성되는데, 이를 파의 간섭이라고 부릅니다. 레이저 또한 파장에 따라 다른 색깔과 에너지를 가지는데, 네온에서는 빨간색, 헬륨에서는 노란색 등의 색이 나타납니다. 레이저의 작동 원리는 자극을 받은 원자나 분자가 광자를 방출하는 과정에서 나타납니다. 이 광자는 반사거울을 통해 여러 번 반사되어 광선을 증폭시키고 집중시킵니다. 고전압을 통해 개스 압력을 높이고 전압을 가하여 밀도반전을 일으킨 후, 출력펄스당 200 J의 에너지를 성공적으로 얻을 수 있었습니다. 이처럼 영의 간섭 실험과 파동설은 광과 파장에 대한 중요한 이해를 제공하며, 이를 통해 더 나은 기술과 발전이 이루어질 수 있음을 알 수 있습니다.

1. 영의 간섭 실험과 파동설을 통해 간섭과 파장의 개념을 이해한다.
2. 간섭무늬와 파의 간섭 현상을 관찰하고 그 원리를 알아본다.
3. 레이저의 작동 원리와 색깔이 어떻게 결정되는지 파악한다.

레이저와 개스 동력학 방법 소개

횡여기 방법인 TEA CO2 레이저를 통해 60 kW의 연속 출력 방식을 이뤄냈습니다. CO2 개스의 급팽창에 의한 밀도반전을 이루는 개스 동력학 방법은 100 W까지의 출력을 가능케 합니다. 1964년 미국의 패텔이 개발한 이후, 100 kW의 대형 CO2 레이저도 성공적으로 개발되었습니다. He 가스를 혼합하면 효율이 향상되며, N2와 He 함께 사용 시 더 큰 출력을 얻을 수 있습니다. CO2 분자의 진동준위 사이의 밀도반전을 통해 레이저 발진이 가능하며, N2 추가로 001 준위의 개스 동력학 방법이 발전하고 있습니다.

종류	출력	방법
TEA CO2 레이저	60 kW	밀도반전을 통한 출력
대형 CO2 레이저	100 kW	CO2 개스의 급팽창
N2 + He 혼합	순수 CO2 대비 큰 출력	진동준위의 밀도반전

개스 동력학 방법과 레이저 소개로의 효율적인 여기가 가능하다. 밀도반전은 방전시 전자와 N2 와의 충돌로 N2분자가 V=0 에서 V=1 의 진동준위로 들뜨게 되는데 이 들뜬 준위는 CO2 분자의 001 진동준위와 에너지 차가 작은 준위로서 두 분자사이의 충돌로 N2 분자는 에너지를 CO2 분자에 제공하고 아래로 떨어진다. 이 과정으로 CO2분자가 001 준위로 들뜨게 된다. 이와 같이 아르곤 레이저는 제작하기가 쉽지 않고 10 kW 이상의 전력을 쓰기 때문에 매우 고가이며 수명은 보통 5000시간 정도이다. 방전시 이온 또는 전자가 관벽에 충돌하는 충돌 횟수가 작은 것이 바람직 하므로 방전관 주위에 솔레노이드를 만들어 수 백 가우스의 자장을 축 방향으로 가함으로서 효율을 높인다. 이는 Ar 1가 이온에서 레이저가 발진되므로 모세관의 전류밀도가 수 백 A/cm 이상이어야 충분히 밀도반전이 일어나기 때문이다. 아르곤 레이저는 길이 약 1m, 내경 약 수 nm의 작은 모세관에 수 torr의 Ar 개스를 채운 후 수 백 V의 직류전압을 가하여 방전시킨다. 모세관에 흐르는 전류는 보통 수 십 A가 흐른다. 그 외에도 351.1 nm 등의 자외선을 포함하여 476.5 nm, 496.5 nm 등 여러 파장의 빛이 발진된다. 이 들뜬 He원자는 Ne원자와 충돌하여 He의 에너지가 Ne에 전달된다. 개스 동력학 방법과 레이저 소개를 통해 우리는 아르곤 레이저의 작동 원리와 특징에 대해 자세히 알아보았습니다. 고가이지만 효율적인 레이저를 만들기 위해 필요한 요소들을 파악하고, 이를 통해 새로운 기술 발전의 가능성을 열어가는 것이 중요하다. 이러한 연구와 기술 발전을 통해 미래 레이저 기술이 더욱 발전하고 발전된 기술이 우리 삶에 더 많은 혜택과 편의를 가져다줄 것임을 기대해 봅니다.

반도체 레이저의 다양한 용도와 특성

레이저 용도: - 간섭, 회절, 굴절 등 기초 광학 실험에 사용 - 광통신, 다중 통신, 우주통신에 활용 레이저 특성: - 출력 범위: 0.5mW에서 100mW - 매질에 따라 고체, 기체, 액체 레이저로 구분 반도체 레이저 분류:

1. 페브리 페롯형: 반사경을 칩의 양끝 부분에 형성한 벽개면 사용
2. 반도체 레이저에서 회절격자 활용: 레이저 내 회절격자에 의해 빛 생성

분류	설명
페브리 페롯형	칩의 양끝 부분에 반사경 형성
회절격자 활용	회절격자에 전류를 주입하여 레이저 동작

이렇게 다양한 반도체 레이저의 용도와 특성을 알아봤습니다. 각각의 레이저는 다른 분야에서 활용되며 중요한 기술입니다.반도체 레이저의 다양한 용도와 특성:

• 빛의 공진기인 벽개면을 사용하는 레이저
• 반도체 레이저는 회절격자에 의한 회절 현상으로 동작
• DFB 레이저와 DBR 레이저 구분
• 레이저 그루빙 기술로 PCB 개선
• 레이저 풀 커팅 장비를 활용한 공정 소개
• 루트로닉 기술을 활용한 피부 레이저 침투 소개
• 스트레스 다이싱을 통한 내장 질환 치료

과정	필요성
이온 주입	정확한 배열로 반도체 성질 부여
파이원 공정 및 웨이퍼 열처리	재료 표면 변형 및 금속 성질 개선

국내에서는 글로벌 시장 점유율이 높은 회사들이 주도적으로 발전하고 있으며, 새로운 칩 구조와 제품이 소개되고 있습니다. 레이저 마커의 중요성과 칩 구조의 발전이 점점 중요시되고 있으며, 반도체 레이저의 다양한 용도와 특성에 대한 관심이 계속해서 높아지고 있습니다.

레이저 기술은 기업의 시장 점유율을 높이는 중요한 역할을 합니다.

이오테크닉스는 1989년 설립된 기업으로, 레이저를 이용한 장비를 PCB 분야에서 주로 생산하며 60% 이상의 시장 점유율을 확보하고 있습니다. 이 회사는 다양한 산업에 장비를 제공하여, 반도체 부문에서 다른 주요 기업들과 경쟁하고 있습니다. 레이저 다이싱 기술은 반도체 공정에 큰 도움이 되고 있으며, 레이저 커팅 장비의 매출 비중이 계속 증가하고 있습니다. 뿐만 아니라, 레이저 그루빙 및 스트레스 다이싱 시장에도 확장할 계획입니다. 이오테크닉스는 일본의 경쟁사인 디스코보다 레이저 소스 내장과 소모품 교체 비용에서 우위를 갖고 있으며, 독점적으로 레이저 다이싱 시장을 선도하고 있습니다. DS80000과 DSG3000B는 프로그래밍 제어를 지원하며, 엔지니어들은 개발 및 생산과정에서 고객들의 요구에 맞게 레이저를 조절할 수 있습니다. 이로써 인건비와 시간 비용을 절감할 수 있습니다. 스펙트럼 분석기와 파워 미터를 사용하여 레이저 출력을 테스트할 수 있지만, 각각의 장단점이 있습니다. 스펙트럼 분석기는 더 높은 주파수 범위를 가지지만, 실시간 성능이 상대적으로 낮습니다. 파워 미터는 주파수 범위가 제한적이지만 높은 정확도를 제공합니다. 레이저 기술은 반도체 레이저의 변조 대역폭 범위와 주파수 응답을 결정하는 중요한 도구로 사용됩니다. 이오테크닉스는 레이저를 활용하여 최적의 공정을 제공하며, 중요한 역할을 하고 있습니다.반도체 레이저의 중요성과 확대된 시장 점유율 현황 오실로스코프는 하나의 신호만 측정하지만, 레이저 테스트에서는 여러 파형을 관찰해야 합니다. 그림 4.5에서 볼 수 있듯이 REF 기능을 활성화하여 서로 다른 파형을 관찰할 수 있습니다. 이 오실로스코프는 파형 측정 기능을 제공하며, 내장된 주파수 카운터와 전압계를 통해 여러 번의 측정을 통해 반도체 레이저의 파라미터를 획득할 수 있습니다. RIGOL DS80000 시리즈는 고속 포토일렉트릭 신호를 수집하고 측정할 수 있는 능력으로 강력히 추천되는 고속 오실로스코프입니다. 이 장치는 실시간으로 파형의 변동과 진폭을 관찰할 수 있어, 변조된 광 신호를 전기 신호로 변환한 후의 수집에 적합합니다. DS80000 시리즈 디지털 오실로스코프는 최대 13GHz 대역폭과 40 GSa/s 샘플 속도를 지원하며, 13GHz 이하의 레이저 측정 요구를 충족할 수 있습니다. 나이퀴스트 샘플링 이론에 따르면, 측정된 파형의 두 배 이상인 샘플 속도는 신호를 복원할 수 있으므로, DS80000 시리즈는 50 ps 이상의 주기를 가진 신호를 수집할 수 있습니다. 또한 이 오실로스코프는 10개의 참조 신호를 제공하는 참조 파형 기능을 지원하여, 다양한 주파수와 전력에 대한 효율적인 분석을 가능하게 합니다. RIGOL DSG3000B 시리즈 고대역폭 RF 신호 발생기는 안정적인 변조 신호를 제공할 수 있어 추천됩니다. 이 장치는 변조 대역폭을 테스트할 때 충분한 주파수 범위를 제공하며, 정보 전송을 위한 아날로그 및 디지털 변조 기능을 갖추고 있습니다. DSG3000B 시리즈의 주파수 범위는 최대 13.6GHz로, 레이저 변조 대역폭 테스트의 80%에 적용할 수 있습니다. 결론:

1. 반도체 레이저 테스트에서는 오실로스코프와 RF 신호 발생기의 중요성이 부각됩니다.
2. RIGOL DS80000 시리즈와 DSG3000B 시리즈는 각각 고속 오실로스코프와 안정적인 RF 신호 발생기로 추천됩니다.
3. 이러한 장치들을 활용하면 반도체 레이저의 신뢰성 및 성능을 향상시킬 수 있습니다.

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