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Kafe 바로가기주관연구기관 | 큐에스아이 QSI Inc. |
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연구책임자 | 방동수 |
참여연구자 | 이용호 , 이준호 , 한수욱 , W. Ted Masselink |
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 | 한국어 |
발행년월 | 2018-11 |
과제시작연도 | 2017 |
주관부처 | 산업통상자원부 Ministry of Trade, Industry and Energy |
등록번호 | TRKO202200007348 |
과제고유번호 | 1415155975 |
사업명 | 전자시스템전문기술개발사업 |
DB 구축일자 | 2022-09-03 |
키워드 | 975nm.laser diodes.optical pumping.fiber laser.high-power. |
3. 개발결과 요약
□ 최종목표
○ 광섬유 레이저 여기용 975nm 12W 레이저 다이오드 칩 개발
○ 광섬유 레이저 여기용 975nm 12W 레이저 다이오드 CoS (칩 온 서브마운트) 개발 및 상용 수준의 신뢰성 확보
□ 개발내용 및 결과
1. 개발 내용
○ MOCVD에 의한 광출력 12W급 이상 975nm Al-based Epi 웨이퍼를 이용한 단일 칩 확보
-. 선진사 벤치마킹, 에피 디자인 simulation을 통한 Epi 구조 최적화 진행 (각 층의 doping profile,
3. 개발결과 요약
□ 최종목표
○ 광섬유 레이저 여기용 975nm 12W 레이저 다이오드 칩 개발
○ 광섬유 레이저 여기용 975nm 12W 레이저 다이오드 CoS (칩 온 서브마운트) 개발 및 상용 수준의 신뢰성 확보
□ 개발내용 및 결과
1. 개발 내용
○ MOCVD에 의한 광출력 12W급 이상 975nm Al-based Epi 웨이퍼를 이용한 단일 칩 확보
-. 선진사 벤치마킹, 에피 디자인 simulation을 통한 Epi 구조 최적화 진행 (각 층의 doping profile, 굴절률 분포, 두께....)
-. 우수한 광변환효율 (≥55%)을 가진 고출력 칩 제작 위한 소자 직렬저항 최소화.
○ 주관기관, 참여기관 협업을 통한 12W급 이상 975nm Al-based Epi 웨이퍼를 이용한 단일 칩 확보
-. 참여기관에서 성장한 Epi 웨이퍼 (MOCVD, Turbo-disc방식, Al base)와 QSI에서 성장한 Epi 웨이퍼 (MOCVD, Panetary 방식, Al base) 비교 평가 진행하여 최적의 MOCVD 성막 조건 확보
○ 고 신뢰성을 가진 광출력 12W이상 975nm 반도체 레이저 시제품 제작.
-. 상온에서 15,000시간 동작 가능한 광출력 12W이상 975nm 반도체 레이저 상용화 기술 확보 (시제품 제작).
-. 3인치 웨이퍼 기반 상용화를 위한 칩 특성 재현성 2회 확보 및 수율(≥55%) 확보.
2. 개발 결과
○ 연차별 정량적 목표 달성 (본문 참조)
□ 기술개발 배경
○ 2017년도에 전체 레이저 응용 시장은 약 120억불 규모이며, 이 중 약 40% 이상을 전자, 자동차, 조선 분야 등에서 재료를 가공 및 마킹하거나 반도체 리소그래피 등에 사용되는 산업용 레이저가 차지하고 있음.
○ 산업용 레이저는 사용 목적에 따라 전통적으로 고체레이저와 CO2 레이저가 주로 사용되어져 왔으나, 고출력 반도체 레이저를 여기용 광원으로 사용하고 있는 광섬유 레이저가 상용화되어 시장을 넓혀가고 있음.
○ 광섬유 레이저를 채용하여 산업용 레이저 장비를 상용화하고 있는 기업은 IPG포토닉스, Trumpf, Jenoptik, Rofin-Sinar, Coherent, Newport 등이며, 이들 몇 개 업체가 세계 시장의 60% 이상을 점유하고 있는 것으로 파악되고 있음. 국내 업체로는 이오테크닉스, 루모닉스, 한빛레이저 등이 있으나 전체적인 시장 점유율은 미미함.
○ 광섬유 레이저 구성 원가의 약 50%를 차지하는 여기 광원용 고출력 레이저 다이오드로서 9xx nm 파장대, 이 중 여기 효율이 가장 좋은 975nm 파장이 주류를 이루고 있고 10W급 이상의 제품이 II-VI, Skyera, IPG 포토닉스, Sheaumann 등에서 상용화 되어 있으며, 이에 대한 국내 기업은 전혀 없어 전량 수입에 의존하고 있음.
○ 따라서, 국내, 외에서 기술 및 시장의 주도권을 확보하기 위해서 반드시 9xx nm 12W급 여기용 레이저 다이오드의 개발 및 상용화가 반드시 필요하며, 본 과제를 통해 국내 산업용 레이저 활성화 및 수입대체, 나아가 시장 점유율 확대를 꾀함.
□ 핵심개발 기술의 의의
○ 발진파장 975nm 고출력 레이저다이오드 에피 구조 확보 측면
- 에피 구조 시뮬레이션 및 3차년도 과제 수행에 따른 12W 이상의 광출력을 가지는 에피 디자인 및 성장 기술 개발.
○ 고출력 레이저 다이오드 칩 디자인 및 Mirror facet 코팅 기술 측면
- Emitter size를 100㎛로 구현하게 되면, 좁은 영역에 광밀도가 집중되면서 AR면에 열적 손상이 발생하게 되고, 그로 인해 COMD성 광출력 저하 현상 유발되어 공정 optimize 를 통한 COMD 발생 문제 해결
○ 고출력 CoS 제조 기술 측면
- 최적 열설계 대응 모듈 패키지 제작
- 레이저 다이오드 칩 Soldering 및 고정밀 플립칩 본딩 기술 개발
- 12W급 고출력 레이저 패키징 기술
- 열저항 최소화를 위한 패키징 기술
- 서브광모듈 패키징을 위한 와이어본딩 기술
○ 신뢰성 및 수명 측정 기술 확보
- 광모듈 특성 평가 기술 개발
- Arrhenius 식에 따른 가속 수명 평가 기술 개발
○ Wavelength locking 기술 확보 및 시연
- Wavelength locking 및 beam quality 향상 기술 개발
- External cavity Laser Diode 모듈 제작 및 wavelength locking 시연
□ 적용 분야
○ 산업용 레이저
- 전자, 자동차, 조선 분야 등에서 재료를 가공 및 마킹하거나 반도체 리소그래피 등에 사용
- 고출력 반도체 레이저를 여기용 광원으로 사용하고 있는 광섬유 레이저가 개발, 상용화되어 시장을 넓혀가고 있음.
- 광섬유 레이저는 기존 고체 및 기체 레이저에 비해 에너지 효율과 빔 품질이 우수하고, 소형 경량화, 낮은 유지비, 사용의 편리성 등 많은 장점을 갖고 있으며, 고출력 산업용 레이저로 사용이 확대되어 시장 규모가 지속적으로 성장하고 있는 추세임.
- 광섬유 레이저 시장의 규모가 커짐에 비례하여 여기용 고출력 레이저 다이오드 칩 시장도 확대되고 있음.
(출처 : 기술개발사업 최종보고서 초록 6p)
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