차세대 광통신 소자 ‘양자점 레이저’…6분의 1 가격에 만든다

한국전자통신연구원(ETRI), 생산성·단가 두 마리 토끼 잡아

한국전자통신연구원(ETRI) 연구진 유기화학기상증착장비(MOCVD)로 만든 광통신용 양자점 레이저 다이오드를 측정하고 있다. 기존 방식에 비해 생산 효율이 우수하고 제조 단가도 저렴한 생산 방식이다./한국전자통신연구원

국내 연구진이 데이터센터용 광통신과 양자통신 성능을 끌어올릴 수 있는 반도체 레이저 기술을 확보했다. 생산 단가를 기존의 6분의 1로 낮추는 것은 물론 양산도 가능해 기술의 상용화로 이어질 것으로 기대된다.

권용환 한국전자통신연구원(ETRI) 광무선연구본부장 연구진은 8일 양자점(量子點·Quantum Dot) 레이저를 대량생산할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다.

양자점은 전류를 흘리면 빛을 내는 나노미터(1나노미터는 10억분의 1미터) 크기의 반도체 결정이다. TV, 스마트폰을 비롯해 다양한 디스플레이에 활용되며 최근에는 레이저 형태로 광통신, 자율주행차 센서에 활용하기 위한 연구가 주목받고 있다. 다만 지금까지는 대량 생산이 불가능해 연구 수준에 머무르고 있다.

ETRI 연구진은 유기금속화학증착법(MOCVD)을 이용해 양자점 레이저의 대량 생산을 실현했다. 유기금속 성분이 들어있는 가스를 고온으로 분해해 증기 상태로 박막을 제조하는 방법이다. 연구진은 갈륨비소(GaAs) 기판 위에서 인듐비소(InAs)·갈륨비소 증기로 박막을 만들었다. 이렇게 양자점 다이오드를 만들어 1.3㎛(마이크로미터, 1㎛는 100만분의 1m) 파장 대역에서 활용할 수 있었다.

기존 양자점 레이저 다이오드는 분자선 결정 성장 시스템(MBE) 장비로 이용해 만들었다. 순도가 가장 높지만 증착 속도가 느려 생산 효율이 낮고 양산이 불가능하다는 한계가 있었다. MOCVD는 MBE에 비해 생산 효율이 우수해 상용화에 적합한 기술이다.

특히 이번에 개발한 기술로 만든 양자점 레이저는 기존 기술보다 밀도가 높고 균일도도 우수한 것으로 나타났다고 연구진은 밝혔다. 최대 75도의 온도에서도 연속 동작이 가능해 지금까지 개발한 MOCVD 생산 양자점 레이저 중 최고 수준을 기록했다.

통신용 소자에 쓰이는 고가의 인듐인(InP) 합금 대신 저렴한 갈륨비소를 이용할 수 있다는 점도 장점이다. 기존에는 2인치 크기의 인듐인 기판을 이용해 양자점 레이저 다이오드를 만들었으나 MOCVD를 이용하면 6인치 크기의 갈륨비소 기판을 이용할 수 있다. 갈륨비소는 인듐인보다 가격이 3분의 1 수준으로 저렴하며 대면적 기판을 이용해 생산 단가를 낮출 수 있다. 연구진은 통신용 반도체 레이저의 제조 비용은 최대 6분의 1로 낮출 수 있을 것으로 보고 있다.

연구진은 ETRI 통신용 반도체 파운드리(위탁생산)를 이용해 상용화와 기술이전으로 이어간다는 계획이다. 김호성 ETRI 광통신부품연구실 연구원은 “상업성과 원천성을 동시에 확보한 연구”라며 “앞으로 광통신용 반도체 레이저 산업의 패러다임을 바꿀 중요한 결과”라고 말했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘합금 및 화합물학 저널’에 지난 2월 10일 소개됐다.

참고자료

Journal of Alloys and Compounds, DOI: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2024.173823

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