세라믹스 광학소자 재료의 특징과 연구개발 현황 광전변환 기능 광전·광학재료의 특징과 연구개발 현황 盧光洙 공학박사 / KAIST 재료공학과 교수 광전변환과 굴절률 21세기는 정보통신산업 시대라고 정의할 수 있을 정도로 우리 사회에서 정보통신산업의 중요성이 대두되고 있다. 정보통신산업의 발전은 데이터를 전송하는 기술에 대한 발전이 뒷받침되어야한다. 데이터를 전송하는 기술에는 크게 마이크로웨이브를 이용한 무선통신과 빛을 이용하는 유선통신으로 구분할 수 있다. 빛을 이용한 유선통신 즉 광통신은 근거리 및 원거리 통신망을 이루는 기반기술로서 정보통신 산업의 핵심기술이 되고 있다. 광통신망을 이루고 있는 핵심 시스템 및 소자·부품들은 다음과 같은 것들로 이루어진다. 빛을 발생하는 레이저와 같은 발광 소자, 손실을 최소화하여 빛을 전송하는 광통신 유리섬유로 이루어진 전송 시스템, 빛을 감지하여 전기적 신호로 변환하는 광 감지 소자 그리고 이 글에서 주제로 삼고 있는 광전변환 기능 소자이다. 광전변환 소자는 컴퓨터의 데이터 bit이나 전화에서 발생되는 전기적 신호를 광 신호로 변환하는 소자를 의미한다. 이 소자에 쓰이는 핵심 재료를 광전변환 기능 광전·광학 재료라고 부른다. 광전변환의 기본 동작원리는 전장을 걸어줌에 따라 변화하는 굴절률의 변화를 효과적으로 이용하는 것이다. ‘굴절률’이라고 하면 공기와 유리나 공기와 물과 같은 계면에서의 빛의 굴절을 연상하게 한다. 하지만 엄밀한 의미에서 굴절률이란 진공 중에서의 빛의 속도에 비해 상대적으로 느려진 물질을 통과하는 빛의 속도(굴절률=진공 중에서 빛의 속도/물질 중에서 빛의 속도)로 정의된다. 진공 상태를 통과하는 빛은 초속 약 3×108 m로 진행한다. 빛이 물질을 통과할 때에는 진공 상태를 통과할 때에 비하여 상대적으로 느려진다. 이 느려지는 상대적인 정도를 물질의 굴절률로 표시한다. 빛이 물질을 통과하는 속도가 진공 상태를 통과하는 속도보다 늦어지는 주된 이유는 물질에 존재하는 내부 전자기장의 영향에 의한 것이다. 물질은 원자핵과 원자핵 주위를 돌고 있는 전자로 이루어지는데, 이들 원자핵과 전자들에 의해 생기는 내부 전자기장에 의해서 빛의 속도가 늦어지고 늦어지는 상대적인 정도를 굴절률로 나타낸다. 다시 말해서 물질의 굴절률 크기는 물질의 원자핵과 전자들에 의해 생기는 내부 전자기장의 크기와 분포에 밀접하게 연관되어 있다. 재료에 외부 전자기장을 가하게 되면, 원자핵과 전자들에 의한 내부 전자기장이 변화하게 되므로 재료 내부를 통과하는 빛의 속도도 달라지고 따라서 재료의 굴절률도 변화시킬 수 있게된다. 재료에 외부 전기장(자기장에 의한 효과는 광자기현상으로 설명되며 본 주제와는 별도로 다루어야 함으로 본 글에서는 전기장만을 다룬다)을 가함으로써 재료의 굴절률을 변화시켜 광통신기술에 핵심 소자인 다양한 광전변환 기능 소자를 만들 수 있게된다. 그럼 외부에서 걸어준 단위 전기장에 어느 정도의 굴절률이 바뀔까? 대략적으로 계산해 보면 일반적인 광전변환 재료의 경우, 106V/m(두께 1cm에 10KV를 걸어준 경우)의 전장에 최대 10-4 정도가 바뀌게 된다. 재료의 굴절률이 1에서 3 사이이므로 전장을 걸어줌에 따라 변화하는 굴절률의 변화는 소수점 최대 4째 자리로 아주 미미한 정도에 지나지 않는다. 전장에 의해서 직접적으로 변화하는 굴절률의 변화가 미미하기 때문에 광전변환 소자에서는 소자가 동작하는 직접적인 원리로 굴절률의 변화를 이용하지는 않는다. 광전변환 소자의 동작원리 그럼 광전변환 소자를 동작시키는 원리는 무엇일까? 원리를 이해하기 위해서는 일반인에게는 친숙하지 않은 편광(polarization)이란 개념을 이해해야 한다. 그것은 굴절률의 변화에 의해 야기되는 편광의 변화이다. 빛은 입자와 파동의 양면성을 가지고 있다. 광전변환 소자의 동작원리인 편광의 변화는 빛의 파동성에 연관된 것이다. 빛은 일정한 파장을 가진 전자기파이다. 빛이란 전자기파는 시간에 따라 일정한 값으로 진동하는 파장을 가지고 있을 뿐 아니라 진행하는 방향에 수직하게 진동하는 전장으로 정의되는데 이 전장의 흔들림을 편광(polarization)이라고 한다. 예를 들어 햇빛이나 전구에서 발생하여 우리 주위를 밝게 비추는 빛은 흔들림이 불규칙하여 불규칙한 편광(random polarization)을 가지고 있다고 말한다. 이에 반해서 편광판(polarizer)을 통과한 빛은 그림1과 같이 선형 편광(linearly polarized)되게 된다. 그림 1에서 빛의 진행방향은 z-축이고 선형편광 된 빛의 전자기파는 x-y 평면에서 선형적으로 흔들리게 된다. 전자기파의 전기장은 시간과 거리에 따라 exponential한 함수로 표시가 되는데 시간에 따른 변화 지수는 주파수로 표현되고 거리에 따른 변화 지수는 속도나 위상으로 표현된다. 그러므로 빛의 주파수와 위상(속도)을 알게되면 빛의 파동적인 면을 수학적으로 정확히 기술할 수 있게된다. 광전변환 소자를 동작시키는 근본 원리는 바로 전장을 걸어줌으로써 야기되는 편광된 빛의 위상 변화를 이용하는 것이다. 전장을 걸어준 상태에서 전장과 수평이나 전장에 수직으로 빛을 통과시키게 되면 전장에 따라서 편광된 빛의 위상이 변화하게 된다. 그럼 몇가지 광전변환 기능 소자의 구조와 연관하여 위상 변화가 어떻게 이용되는지를 살펴보도록 한다. 위상변환기라는 것이 있다. 이 위상변환기는 가장 간단한 광전변환 소자로서 그림 2와 같이 광도파로에 전장(V)을 걸어줌으로써 편광된 빛의 위상이 변화하게 하는 소자이다. 이때 위상의 변화 정도는 사용된 광전변환 기능 재료의 광전계수, 굴절률, 걸어준 전장의 크기 및 전극의 길이 등에 영향을 받는다. 위상변환기에서 더 진보된 개념의 소자를 예로 들어보면 전장으로 제어된 광간섭계(optical interferometer)가 있다. 그림 3에 보이는 바와 같이 광도파로를 Y자로 된 두 개의 가지로 나누면 각 가지에 빛의 강도가 반반씩 나뉘어서 진행하게 된다. 두 가지로 나뉘어 진행하는 빛은 Y자로 된 부분에서 다시 합쳐져서 입사광과 동일한 크기의 빛이 빠져 나오게 된다. 한데 두 가지 중에 한쪽 가지에 전장을 걸어주는 경우에는 걸어준 전장에 따라서 그 가지를 통과하는 빛의 위상이 변화하게 된다. 만약 충분한 전장을 걸어줘서 위상이 180。(π)만큼 바뀌게 된다면 두 가지가 합쳐지는 지점에서 두 빛은 서로 180。 만큼의 위상차를 가지며 합쳐져서 서로 상쇄간섭을 하게되어 빛이 소멸되게 된다. 이와 같은 원리로 이 소자를 통과하여 출력되는 빛은 걸어준 전장에 비례하여 강도가 조절되게 된다. 이와 같은 소자를 광간섭계라고 하며 이를 이용하여 광스위치를 만들 수 있므며 가장 보편적으로 이용하는 집적 광전변환 기능 소자의 일종이다. 광전변환 기능소자 재료와 연구개발 현황 이제부터 광전변환 기능 소자에 사용되는 재료와 그 연구개발 추세를 알아보려 한다. 그림 4는 여러 가지 광전변환 기능 재료의 투명도를 보이는 파장 범위와 품질계수를 보여준다. 재료가 투광도를 보이는 파장 범위는 소자에서 이용하는 레이저의 파장과 관련하여 중요한 변수이다. 예를 들어 광통신의 경우에는 적외선 지역의 레이저를 그리고 DVD 등 고밀도 기록 소자의 경우에는 자외선이나 청색 레이저를 이용하는데, 광전변환 기능 재료는 적용하는 레이저의 파장 범위에서 높은 투광도를 가져야 한다. 물론 재료의 투광도 요구조건은 투명한 파장에만 만족했다고 되는 것은 아니고 재료의 투광도가 제조된 재료의 상태에 따라 많은 차이가 있지만, 먼저 어떤 재료를 광전변환 소자에 응용하기 위해서는 광전변화 소자에 적용하려는 레이저의 파장에서 투명도를 보이는 재료여야 한다. 다음으로 소자에 응용될 재료의 적합성을 따지는 것은 재료의 품질계수이다. 광전변환 재료의 품질계수(Figure of Merit)는 앞에서도 언급한 바와 같이 굴절률과 전광계수에 비례한다. 품질계수가 큰 재료는 낮은 전장에서도 큰 광전변환 효과를 얻을 수 있다. 가시광선지역에서 투명하며 광전계수도 제법 높은 재료 중에 소자에 많이 쓰이는 대표적인 재료는 KDP(KD2PO4), KNbO3 나 LiNbO3 등을 들 수 있다. 언급한 재료들은 이미 상당히 큰 단결정들이 생산되는 재료들이다. 단결정은 빛의 손실을 최소화할 수 있을 뿐 아니라, 전광계수가 최고로 되는 결정방향으로 이용할 수 있으므로 현재 광전변환 기능 소자에서 가장 많이 이용되는 재료의 형태이다. 이용할 수 있는 크기의 단결정을 만들기 어렵지만 다결정형으로 이용할 수 있는 재료로서 광전세라믹으로 가장 많이 사용되는 PLZT ([Pb,La][Zr,Ti]O3)란 재료가 있다. 데이터 통신의 경우에는 적외선 레이저를 사용하므로 비록 품질계수는 작지만 적외선에서 투광도가 좋은 GaAs나 CdS 등을 이용한다. LiNbO3이나 GaAs 의 경우에는 광도파로(optical waveguides)를 이용한 다양한 집적광전변환 소자(integrated optoelectronic devices)의 핵심소재로 이용하고 있는데, 대부분 단결정 형태를 이용하고 있다. 집적광전변환 소자에서 광도파로는 빛을 집중해서 이동시키는 길이 된다. 광도파로는 주위의 다른 지역보다도 굴절률이 높아서 전반사(total internal reflection)에 의해 빛이 주위로 빠져나가지 않고 이동하도록 만든다. 단결정의 경우에는 타원소를 첨가하여 굴절률을 높인 도파로를 제조하여 사용한다. 단결정은 우수한 투광성과 신뢰성이 높아 광전변환소자의 핵심 소재로 사용되고 있지만 소재의 가격이 높고 기존 반도체와 집적하기 어려운 점 그리고 생산성이 낮다는 단점 등이 있어서 이를 대치하기 위해서 대량생산성과 경제성을 고려하여 박막을 이용한 광도파로에 대한 연구를 활발히 진행하고 있다. 하지만 아직도 박막의 경우에는 광손실이 높으며 소자의 신뢰성이 높지 못하다. 최근에 단결정급의 박막(epitaxial films) 등의 연구를 통하여 투광성과 신뢰성이 대폭 개선된 광전변환 기능 재료의 박막이 개발되어 실용화되고 있는 중이다. PLZT의 경우에는 그동안 세라믹을 고온 압축성형법으로 제조하고 인가 전장의 크기를 줄이고 투광도를 증가시키기 위해서 얇게 연마하여 광 개폐기(shutter), 평판표시 소자 등에 응용하여 왔으며 주로 군사용 등 극히 제한적인 응용에 적용되어 왔다. 하지만 고온 압축성형법과 연마를 이용한 제조방법은 대면적 소자를 제조할 수 없을 뿐 아니라 비경제적이기 때문에 이를 해결하고 작동전압을 낮추며 특성이 우수한 방향으로 입자를 배향하며 반도체 소자와 집적시키기 위해서 PLZT 박막 제조에 관한 연구를 활발히 진행하여 현재 세계적으로 다양한 연구팀에서 우수한 박막을 만드는 방법이 개발되고 있다. 하지만 아직도 신뢰성과 투광도면에서 더 개발이 진행되어야 할 숙제로 남아있다. 비교적 최근의 광전변환 소자의 개발추세는 나노기술을 바탕으로 발전되고 있다. 신뢰성과 투광성을 높이기 위해서 매질은 유리나 유기 중합체로 하고 매질에 광전변환 기능성 나노 입자들을 균일하게 분산시킨 재료들이 활발히 개발되고 있다. 이전에 이와 같은 매질에 입자가 분산된 재료는 입자들에 의한 광산란에 의한 광손실이 너무 커서 그 응용성이 제한되었다. 하지만 광산란의 이론적, 실험적 사실에 의하면 입자크기가 빛의 파장과 유사할 때 최고가 되며 입자크기가 극도로 작아지면 거의 산란을 안 한다고 알려져 있다. 그러므로 입자의 크기를 나노로 제한하게 되면 산란에 의한 광손실이 거의 없어지게 되며 이를 이용한 몇 가지 하이브리드(hybrid) 재료들이 개발되고 있다. 무기물 유리 매질에 광전변환 기능성 나노 입자를 균일하게 분산시킨 시스템은 무기질로 이루어진 하이브리드 재료이다. 반면 유기 중합체 매질에 광전변환 기능 나노 입자를 고루 분산시킨 유무기 하이브리드 막으로 개발되고 있는 추세이다. 빛을 이용한 유선 정보통신 산업에서 핵심 광전변환 기능 소자에 응용되는 광전·광학재료는 부가가치가 크고 그 응용성이 크다. 얼마 전까지는 광전변화 기능 소재들은 단결정 중심으로 응용되어 왔다. 반도체와 집적성과 생산성을 향상시키기 위해서 단결정 중심에서 박막 소재가 활발히 개발되어 왔는데 최근에는 더 나아가서는 나노 하이브리드 소재나 양자특성을 낼 수 있는 나노소재 등의 개발로 인해서 현재로서는 상상도 할 수 없는 다양한 소자응용이 가능한 분야로서 향후 전망이 아주 밝은 연구분야 중 하나이다. 그림1. 선형편광된 빛의 진행 모식도, (왼쪽) 한 위치, x-y 평면 상에서 진동하는 선형편광된 전장의 진동. (오른쪽) 어떤 시간 t에서 관측된 z 방향에서 진행하는 빛의 위치에 따른 전장의 모식도 그림2. 집적 광학 위상변위기의 모식도 그림3. 집적광학 간섭형 광전변화 기능 소자 Bi12SiO2O 그림4. 광전변환 기능 광전·광학재료의 투과파장과 품질계수