중적외선 광원 기술동향

중적외선 대역의 분광학은 그 자체로 중요성을 가지고 있어, Hg-lamp 또는 thermal emitter를 광원으로 FTIR(Fourier Transform Infrared spectroscopy) 분광방법이 사용되어 왔다. 실제 가스분석기 시장을 보면, 2011년에 이미 NDIR(Non-dispersive Infrared detector) 방식이 전체 가스검출기 시장의 50% 이상을 차지하고 있으며[3], 지속적인 시장확대가 예상되고 있다. 기존의 NDIR 방식은 근적외선 영역 분광과 중적외선 영역 분광으로 나눌 수 있다. 이 중 근적외선을 사용하는 이유는 고출력 파장 가변 광원의 구현이 힘들기 때문이나, 반면 데이터 분석이 힘들다는 단점 또한 가진다.

중적외선을 사용하는 경우는 thermal emitter를 주로 사용한다. Thermal emitter는 nerst glower, glowbar(globar), incandescent wire source 등이 있고, 가격적으로 저렴하며, 안정적인 연속 광대역광을 제공하는 장점이 있으나, 출력이 낮으며, 광가이딩이 어려운 단점이 있다. (그림 2)는 광원의 형태에 따른 광 세기를 비교한 것으로 globar의 경우 근본적으로 광 세기가 약하며, diffraction limited source가 아니기에 공간적으로 국소영역에 빔을 모으기가 불가능하여, QCL(Quantum Cascade Laser) 및 synchrotron radiation에 비하여 매우 낮은 광량을 보인다. 또한 synchrotron radiation은 diffraction limited source이긴 하나 QCL에 비해 광 세기가 현저하게 낮은 특징이 있다.

(그림 2)

10um 핀홀을 통과한 여러 중적외선 광원에 대한 광 세기 비교[4]

MCT noise level은 액체질소 냉각된 단일 검출기의 값이며, microbolometer의 noise level은 100mK NEP*를 가지는 uncooled focal plane array에 대한 값이다.

* NEP(Noise Equivalent Power)

서론에서 언급하였듯이, 중적외선 대역의 큰 응용기술은 열화상 기술과 분자분광 기술이다. 열화상 기술은 (그림 3)에서 보듯이 냉각형에 비해 비냉각형 검출기의 detectivity가 낮아 높은 contrast를 확보하기가 힘들기때문에 중적외선 광원을 조명광으로 활용할 경우 높은 contrast를 확보할 수 있다. 예를 들어 10⁵개의 pixel을 가지는 비냉각형 microbolometer FPA를 이용한 imaging에 적용할 경우 QCL은 10³의 SNR(Signal to Noise Ratio)을 확보할 수 있다[4].

(그림 3)

파장에 따른 각종 검출기의 detectivity[5]

Detectivity is a measure of the signal-to-noise ratio of an imager normalized for its pixel area and noise bandwidth. To compare cameras that use the noise equivalent temperature difference measured in degrees K(Courtesy of Hamamastu).

현재의 분광기술은 낮은 광원의 세기로 SNR을 향상시키기 위해 Faraday rotation spectroscopy, cavity ring-down spectroscopy, integrated cavity output spectroscopy, advanced quartz-enhanced photo acoustic spectroscopy 등과 같은 다양한 방법으로 높은 감도의 검출단을 구성하기 위한 노력을 경주하고 있다. 이는 시스템 구성의 어려움을 증가시키며, 향후 거대시장을 창출하기 위해 필요한 스마트폰과 같은 소형 consumer device에 적용이 불가능한 한계를 갖는다.

(그림 4)는 측정된 분자들의 흡수 스펙트럼을 기반으로 한 중적외선 흡수파장 영역의 여러 다양한 응용분야를 보여주고 있다. 이외에도 군수분야의 경우 미사일에 3~5㎛(대기투과창) 대역의 중적외선을 쏘아 미사일의 IR 검출기를 마비시키는 IR countermeasure용으로 이용되기도 한다. 의료분야의 경우 물 흡수 파장인 2.94㎛는 안과 및 치과치료용으로, 그리고 amide-II 공명파장인 6.45㎛는 laser surgery에 적용되기도 하며, 산업용으로는 플라스틱 또는 폴리머 공정에 사용된다.

(그림 4)

파장에 따른 중적외선분광 응용분야

<출처>: Daylight사, ICSL 학회, 2012.

이처럼 중적외선 광원의 응용처는 지속적으로 발굴되고 있으며, 향후 미래를 선도할 핵심 부품으로 자리 잡아가고 있다.

(그림 5)는 기술에 따른 중적외선 광원의 종류와 각 기술별 가능한 파장 영역대를 나타내고 있다. 중적외선 광원은 크게 가스 레이저, 반도체 레이저, 고체 레이저, 비선형성을 이용한 파장변환 기반의 광원, 파이버 레이저로 크게 구분할 수 있다.

(그림 5)

중적외선 광원의 기술 및 파장 영역에 따른 분류[6]

가스 레이저인 CO 및 CO₂ 레이저는 주로 cutting, welding, engraving 등과 같은 산업가공용으로 사용되었으나, 고출력 파이버 레이저에 크게 시장을 잠식당함에 따라 최근 들어 오히려 치과, 수술, 피부 클리닉 등의 의료용으로 그 활용성이 증대되고 있다.

광섬유 레이저는 Tm³⁺(2.0, 2.3㎛), Ho³⁺(2.1, 2.8, 3.0, 3.2, 3.5㎛)과 같은 trivalent rare earth 이온을 doping하여 이득영역을 구성한다. 이 중 Tm-doped 실리카 광섬유를 사용할 경우 2.0㎛에서 1kW의 출력이 가능함을 보고하고 있다. 하지만 2.7μm 이상에서는 실리카 광섬유의 손실이 매우 커서 fluorides, tellurites, chalcogenides와 같은 물질을 이용한 중적외선용 광섬유를 사용하고 있다.

중적외선 고체 레이저는 1960년대에 이미 개발되었으며, 대부분의 경우 rare-earth 이온의 전자천이나, transition metal에서 vibronic transition을 이용한다. Rare earth 이온은 광섬유 레이저와 마찬가지로 Tm³⁺, Ho³⁺, Er³⁺ 등의 trivalent rare earth 이온이 사용되며, 호스트 물질은 가변성을 가지나 발진 파장은 광섬유 레이저와 비슷하고 큰 변화가 없어, 파장 가변성을 높이기 위해 transition metal을 사용한다. Transition metal을 사용할 경우 호스트물질로는 electron-phonon 상호작용이 강한 II-VI 화합물반도체가 주로 사용되며, 현재 optical pumping으로 발진시켜 20W 연속(CW: Continuous Wave) 발진과 1,200nm 이상의 파장 가변성이 보고된바 있고, 현재도 고출력광원을 목적으로 연구개발이 진행 중이다[7].

비선형성을 이용한 파장 변환방식[8]은 2^nd harmonic generation, DFG(Difference Frequency Gene-ration), OPO(Optical Parametric Oscillator) 등과 같이 물질의 고유한 비선형성을 이용하는 방식으로 비선형성의 효율이 낮기 때문에 사용되는 광원들의 출력이 높지만 출력되는 중적외선의 출력이 다른 방식에 비해 낮은 단점이 있다. 하지만, 파장 가변 광원의 구성은 상대적으로 용이하여 분광기용 광원으로 유용한 장점이 있다. 현재 Novawave는 IR 영역의 레이저 다이오드를 사용한 DFG 방식으로 구성한 광대역 광원과 이를 이용한 분광시스템을 생산·판매 중이다.

반도체 레이저는 구성의 난점으로 인한 소형화의 어려움이 단점으로 지적되었으나, Sb-based 레이저 및 QCL 기술의 비약적인 발전으로 소형 레이저 상용제품이 제공되는 상황에 도달하였다. 아직은 가격 측면에서 고가의 가격이 단점으로 작용 하고 있으나 향후 시장확대에 따른 지속적인 가격하락이 유도되어 큰 시장을 이룰 것으로 기대되고 있다. 현재 2~3㎛ 대역은 Sb-based 레이저 다이오드, 4~12㎛ 대역은 QCL이 사용되고 있으며, 3~4μm 및 12μm 이상의 파장대역에서는 연구개발이 진행 중이다. 그리고 분광학에 응용하기 위해서는 파장 가변성이 필요하기 때문에 QCL을 이용한 파장 가변 레이저가 활발히 연구되고 있다.

Bell연구소에서 1994년 극저온에서 QCL 발진이 보고된 이후, 1996년 펄스 상온발진, 2002년 CW 상온발진이 보고 되는 등 비약적인 발전이 진행되었으며, 현재는 100mW 이상의 광 세기를 얻고 있고, 효율면에서도 CW 상온발진에서 20%의 WPE(Wall Plug Efficiency)를 얻고 있다. (그림 6)은 기술별/년도별 파장 가변 QCL 결과를 소개하고 있다. (그림 6)에서 보는 바와 같이 다양한 방식의 파장 가변 레이저에 대한 연구가 진행되고 있으며 현재 중심 파장 기준으로 39%의 파장 가변성을 갖는 파장 가변 QCL이 보고된바 있다[9].

(그림 6)

파장 가변 QCL의 구조 및 파장 가변 특성[9]

QCL은 제작/설계 기술뿐 아니라, QCL을 이용한 분광기법 및 응용성에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는 상황이다. 높은 SNR을 바탕으로 사람의 날숨 정밀분석을 통한 건강검진 모니터링 기능이 가능하며, 2014년에는 인체의 피부에서 산란된 신호분석을 통해 혈당측정의 가능성이 보고되는 등 의료분야를 포함한 많은 분야에서 주목을 받고 있다. 그러나, 가격이 FP QCL이 4,300불, 파장 가변 QCL이 2~3만불에 달하는 문제로 현재까지는 특수분야에만 적용되고 있는 실정이다. 대량주문을 통한 가격하락이 가능할 것이나 아직 대형시장에 진입할 수 있을 정도의 적절한 가격 제공이 쉽지가 않다. 하지만, 향후 지속적인 기술개발을 통해 이러한 가격적인 문제를 해결한다면, QCL이 갖는 고유한 쓰임과 다양한 응용성에 맞게 거대시장이 유도될 수 있을 것으로 예측하고 있다.

현재까지 다양한 형태의 중적외선 광원이 개발되어 왔고, 각 광원마다 장점을 가지는 특유의 응용처가 존재하고 있으며, 시장진입을 위해서는 소비자가 원하는 기능적인 면 이외에도 가격적인 부분에 대한 해결책을 제시할 수 있어야 한다. 그러므로 가격을 낮출 수 있는 중적외선 광원의 요소기술 개발 및 소재의 개발이 중적외선 파장대역을 실생활에서 현실화시킬 수 있는 관건이라 할 수 있다.

현재 중적외선 광원의 시장은 완전히 열린 상태가 아니어서, 각종 시장분석자료를 통하여 시장예측을 소개하겠으며, 관련 업체들의 동향에 대해 살펴보도록 한다. Strategies Unlimited의 2012년 시장분석에 따르면, 전체 레이저 시장은 2011년에 475.9백만불에서 2015년에 615.6백만불로 성장할 것으로 분석하고 있는데 이 중에 중적외선 레이저의 경우는 센서용으로 2011년 32.4백만불, 2015년에 94.5백만불, 군수용으로 2011년 3백만불, 2015년 25백만불로 예측하고 있어, 중적외선 광원의 성장률이 전체 레이저 시장 성장률의 4배에 달한다. 특히, QCL의 경우 2010년 1.6백만불에서 2015년 30백만불로 초고속 성장이 예상되고 있다[10].

Frost&Sullivan의 시장분석자료에 의하면, 가스분석기 시장이 2011년에 335.4백만불, 2018년에 463.1백만불의 시장과 이 중 NDIR 분석기가 차지하는 비율이 2011년에 51.5%, 2018년에 56.1%로 예상하고 있다. 이는 중적외선 기반의 분광시스템이 다른 기술에 비해 높은 sensitivity, selectivity, 유지관리 등의 장점을 보유하고 있기 때문이다[3].

중적외선 레이저는 분자분광, 검출, 이미징 등의 분야에서 현 시장의 룰을 바꿀 수 있는 획기적인 소자로 현재 기술을 바탕으로 미래 시장의 규모를 예견하기 힘드나, 2013년 Winter Green Research의 중적외선 센서 시장분석에 따르면, 2012년 789백만불에서 2019년 6,989백만불에 달할 것으로 예측하고 있다[11].

이와 같이 여러 시장분석자료에서 중적외선 시장의 발전가능성을 인정하고 있으며, 국외의 기업들은 이에 대한 기술개발 및 투자를 진행하고 있다.

중적외선 시장의 상위 5개 기업을 살펴보면((그림 7) 참조), 27%의 시장점유율을 가지는 FLIR사의 주력사업은 열화상카메라이고, 21% 점유율을 가지는 GE/SenseAir은 스마트 빌딩용 CO₂ 센서를 주력 상품으로 하며, 16%의 점유율을 가지는 Daylight solution은 중적외선 센서 및 이미징 시스템을 주력으로 하는데, 고체 레이저 및 QCL을 활용한 고사양의 물품을 제공한다. 8%의 점유율을 가지는 Sofadir은 최초로 MCT를 개발한 회사로 MCT를 기반으로 한 센서의 개발에 주력하고 있으며, 6%의 시장점유율을 가지는 ThorLabs는 3~12㎛의 중적외선 반도체 레이저 개발 및 상용화의 선두주자인 Maxion Technologies를 인수하여 QCL을 판매하고 있다[12].

(그림 7)

2012년 중적외선 센서시장의 market shares[11]

상위업체 5개 중 2개 업체가 QCL 사업에 투자를 하고 있으며, 3%의 시장점유율을 가지는 Cascade사는 QCL을 제작과 QCL을 기반으로 하는 가스분석기를 주력으로 하고 있다[13]. 이외에도 AdTech Optics, Alcatel-Thales III-V Lab, Laser components, Hamamatsu, Nanoplus, Pranalytica 등의 기업에서 QCL을 제공하고 있으며, Aerodyne Research, Neoplas Control, QuantaRed Technologies 등에서는 QCL을 이용한 시스템을 판매 중이다.

Daylight solution은 gas sensing 장비용 넓은 파장 가변 영역을 가지는 EC QCL을 개발 진행 중으로 의료용 날숨분석장치를 주 목표로 하고 있으며, 2013년 이 회사의 QCL을 장착한 Northrop Grumman의 infrared countermeasures 시스템은 US army와 fighting safety 테스트를 통과하였다[14].

파이버레이저의 최강 기업인 IPG는 기 보유한 파이버 기술을 바탕으로 2~3㎛ 대역의 고체 이득매질 및 OPO 방식으로 고출력 단일모드 레이저 및 파장 가변 파이버 레이저 시스템을 개발/판매 중이다[15].

일본의 경우는 근래에 Hamamatsu photonics에서 단일파장 QCL을 일본 최초로 상온에서 CW 발진을 성공하였으며, DFB(Distributed Feedback) QCL을 판매하고 있다[16].

이러한 기술발전 이외에도 인수합병을 통해 차별성 있는 기술확보를 진행하고 있다. Thorlab의 Maxion Technologies 인수 이외에도 Lockheed-Martin의 Aculight 인수, Thermo Fisher Scientific이 2010년 중적외선 센서 시스템 기업인 Novawave Technologies 인수, FLIR은 ICx Technologies의 인수를 진행하는 등 중적외선 시장도 업체 간의 인수 합병을 통해 수직계열화가 진행 중이다.

이러한 국외 기업현황과 달리 국내의 경우 핵심 부품은 수입에 의존하고 조립, 패키징에 기반을 둔 모듈 생산에 의존하는 중소기업이 대다수이다.

근래에 사물과 사람 간의 상호 정보교환의 개념에서 확대된 사물인터넷(IoT: Internet of Things)이 크게 주목을 받고 있으며, 근간을 이루는 기술 중 하나가 센서기술이다. 주변의 환경으로부터 단순히 정보를 얻는 센서에서 이미 얻은 정보에서 고차원적인 정보를 추출할 수 있는 스마트 센서의 중요도는 더욱 확대되고 있다. 이와 관련하여, 2012년 향후 5년 이내에 컴퓨터가 인간의 오감을 가질 것이라 IBM에서 주장하고 있다[17]. 특히 오감 중 냄새는 가스 센서가 주 역할을 할 것이며, 중적외선 분광학은 이 부분에서 여타 기술에 비해 월등한 장점을 가지고 있다.

스마트기기에 냄새와 관련된 기능을 장착하기 위해서는 소비자가 원하는 기능을 가지면서 저가형의 소형기기 이어야 한다. QCL만이 이러한 요구를 충족할 수 가능성을 가지고 있어, 산업에 크게 영향을 줄 수 있는 핵심 소자로 여겨지고 있다.

다른 광원 기술들은 각자 고유의 장점을 가지는 영역을 가지고 있다. 가스 레이저는 의료와 관련하여 그 시장을 계속 확대될 전망이며, 산업용으로 중적외선 광섬유 레이저가 IPG에서 지속적으로 연구개발을 진행되고 있다.

중적외선 레이저 분야는 상용화를 위해 기술적으로 해결해야 할 부분들이 남아있는 상황이지만, 고유의 기술적 특징으로 향후 전망은 밝다.