고체 레이저 세라믹제법으로 양질의 결정 이트리아 재료 제작 대형화 가능케 열전도 YAG의 배, 핵융합으로 안성맞춤 편집부(외신) 고체 레이저 결정에 새로운 제법이 등장. 모던세라믹스라는 나노테크놀러지를 구사한 제법이다. 산학(産學) 및 국제연대로 네오짐 첨가 이트리아 결정을 세라믹스 제법으로 양질로 만들어 레이저 발진에 성공했다. 네오짐 첨가 YAG 세라믹스 연이은 성과로, 세라믹스 제법이 레이저 결정 일반에 부연될 수 있을 듯하다. 고체레이저 결정은 융액에서 인상하는 성장법이 일반적인데, 세라믹스 제법에서는 대형 결정이나 임의의 형상도 얻을 수 있어, 고체 레이저 응용에 새 경지를 열 수 있을 것 같다. 이 성과는 전기통신대학의 植田憲一 교수 등, 神島화학공업, 러시아 결정레이저 물리연구소의 A 카민스키 교수 등에 의한 것이다. 시료를 神島화학이 개발하고, 植田교수 등이 특성분석과 레이저 발진 등을 실현했다. 이 연구팀은 98년에 세라믹스 제법으로 최초로 고품질의 YAG 세라믹스 레이저를 개발. 이미 1.5킬로와트의 대출력을 실현한 바 있다. 이번에 이트리아로 성공함으로써 세라믹스로 고체 레이저 결정 제작법을 일반화할 수 있다는 것을 최초로 밝힌 것이 된다. 고체 레이저 결정은 보통, 융액에서 인상법(引上法) 등으로 성장시킨다. 따라서 결정 크기 등, 여러 가지 제한이 있다. 현재 일반에 시판되고 있는 YAG 레이저 결정은 이 인상법에 의한 것이다. 대출력 레이저에서는 다양한 레이저 결정이 있으나 YAG가 가장 산업용도에 많이 쓰이는 것은 열전도성이 우수하기 때문. 이트리아는 YAG보다 열전도율이 2배 이상 커서 고체 레이저 결정으로서 우수한 특징을 갖는다. 따라서 YAG를 능가하는 재료로서도 유망하다. 이렇게 이트리아 재료는 오래 전부터 주목되어 오면서 융점이 2430℃로 높기 때문에 도가니를 만들지 못해, 인상법으로만 성장된다는 것이 걸림돌이었다. 세라믹스 제법을 최초로 실용적인 결정이 만들어지게 된 것이다. 만드는 방법은 네오디움 첨가 YAG 세라믹스와 마찬가지이다. 이트리움과 첨가할 네오디움 분말을 출발원료로 모던세라믹스의 요령으로 액체 속의 화학반응으로 소금을 만들고, 10나노미터 사이즈의 입자로 된 생재료에서 이트리아 전구체를 만들어 건조·분쇄하여 100나노미터 사이즈의 이트리아 파우더를 제작, 그것을 1700℃에서 진공가열한다. 만들어진 네오디움 첨가 이트리아는 10~30마이크로미터 지름의 단결정으로 된 단결정체. 입계는 몇 원자층 밖에 없을 정도로 입계가 치밀하게 채워진다. 실제 레이저 발진은 「원자핵이나 이온이 담당하므로 전체가 단결정일 필요는 없다」(植田교수)고 한다. 레이저 발진은 실온에서 광출력 1와트, 파장 807나노미터의 반도체 레이저를 여기광에 단면에서 입사하여, 1074나노미터와 1078나노미터에서 동시 발진했다. 여기광이 200밀리와트에서 발진을 시작해 742밀리와트 입력에서 160밀리와트의 출력을 얻을 수 있었다. 레이저 결정의 단면에는 반사코팅을 하지 않아 로스가 큼에도 불구하고 고출력을 얻었다. 응용면에서 보면, 이 이트리아 세라믹스 레이저는 넓은 분야에 응용할 수 있을 것 같다. 우선 핵융합용 대형 레이저. 이미 그린시트 상태에서는 사방 1미터(두께 2센티미터)의 것도 만들어졌다. 핵융합용에서는 100만줄 급의 대출력이 필요하기 때문에 열전도율이 클수록 좋고, 핵융합용 레이저 결정으로서 안성마춤이라고 한다. 또 최첨단 동적 계측법으로 주목되는 펨트초 레이저는 티탄 첨가 사파이어레이저가 그 대표격인데, YAG를 파장 변환한 뒤 티탄 첨가 사파이어를 여기하기 때문에 출력강도가 작아 연구용도에서 탈피가 되지 않는다. 그러나 고출력의 반도체 레이저에서 여기할 수 있는 이트리아 세라믹스 레이저라면 직접, 티탄 첨가 사파이어를 발진시킬 수 있기 때문에 펨트초 레이저의 산업용도에 길을 열 수도 있다. 이텔비움 첨가 이트리아의 경우는 10펨트초의 단펄스 발진이 가능하다는 시산도 있다. 세라믹스 제법에는 형태나 크기를 불문한다는 특징이 있다. 대형인 것을 연속제법할 수 있는 이외에 인쇄방식으로도 가능한 등, 종래 결정성장법에 비하면 고체 레이저의 응용을 일변할 가능성을 내재하고 있다. (NK) 네오디움 첨가 이트리아 세라믹스 레이저의 입출력 커브 여기 입력(밀리와트) 광출력(밀리와트) 파장(나노미터) 강 도 첨단세라믹스 용어해설 실리콘 웨이퍼(Silicon Wafer) 실리콘 웨이퍼란 실리콘(규소)을 원재료로 하여 원자가 3차원적으로 질서 정연하게 일정방향으로 배열된 실리콘 단결정 박판을 말한다. 실리콘의 원료는 산화규소(SiO₂)이며, 천연 암석으로부터 고순도화시켜 단결정 실리콘을 만들기 때문에 안정적으로 공급할 수 있고 반도성이 우수하여 반도체 재료로 가장 많이 사용되고 있으나 극도의 평활도가 요구된다. CZ법(CZochrlski process)으로 성장시킨 실리콘 단결정에는 전기전도를 위해 결정성장(Crystal Growing)시 인위적으로 B, P, Sb 등의 불순물(Dopant)을 첨가하고, 다른 불순물은 가능한 한 억제시켜 반도체(Semiconductor)화 한다. 다결정실리콘(Si) : 순도 98%정도의 천연규석으로부터 금속 실리콘을 만들고 염소로 할로겐화한다음 다시 수소로 환원하여 부분적으로 결정화한 것 CZ법 : 도가니에 다결정 실리콘을 넣어 가열 용융하고, 용융면에 단결정의 seed를 접촉시킨 다음, 서서히 이 seed를 끌어올려 seed의 선단에서 단결정을 성장시켜 굵은 막대기 모양의 단결정을 만드는 방법