하마마쓰, 2.0kW 출력 레이저 다이오드 바 개발 “고출력 레이저 응용 확대 기대”

▲ 하마마쓰 포토닉스가 개발한 1cm 폭 레이저 다이오드(LD) 바(왼쪽)와 출력 평가용 장치(오른쪽).

하마마쓰 포토닉스(Hamamatsu Photonics)가 자체 고출력 파워 레이저 다이오드(LD) 기술과 새로운 제조 공정을 활용해, 1cm 폭 레이저 다이오드 바(LD bar)에서 준연속파(QCW) 기준 2.0kW 출력을 달성했다고 밝혔다. 이번 성과는 실온 조건에서 1cm 폭 단일접합 LD 바로 구현한 것으로, 산업용 레이저 가공 장비와 고체 레이저용 펌프 광원 등 고출력 레이저 분야의 적용 확대에 기여할 것으로 기대된다.

1cm 폭 LD 바에서 2.0kW 출력 달성

LD 바는 여러 개의 LD 이미터를 배열해 구성한 발광 소자다. 여러 LD 바를 적층한 LD 바 스택과 함께 산업용 레이저 가공 등 다양한 분야에서 사용된다. 특히 고출력·고에너지 고체 레이저를 펌핑하기 위해서는 많은 수의 LD 바가 필요하기 때문에, 개별 LD 바의 출력 향상은 고출력 레이저 시스템의 성능과 효율을 높이는 핵심 요소로 꼽힌다.

하마마쓰 포토닉스는 LD 바의 출력을 높이기 위해 결정 구조, 소자 설계, 결정 성장 기술, 조립 기술을 최적화해 왔다. 여기에 LD 단면에서 발생하는 열화 현상을 억제하기 위한 단면 처리 기술을 고도화한 결과, 실온에서 1cm 폭 단일접합 LD 바에서 QCW 동작 기준 2.0kW의 피크 출력을 달성했다.

측정 조건은 1cm 폭 LD 바, 단일접합 구조, 약 940nm 파장, QCW 동작, 200μs/10Hz 펄스, 냉각수 온도 18℃다. 회사에 따르면 이번 성과는 2022년 독일 연구기관이 실온 조건에서 보고한 1.9kW 기록을 넘어서는 세계 최고 수준의 결과다.

고출력 LD는 기존 소재 가공용 레이저 시스템을 더 소형화하고 에너지 효율을 높이는 데 기여할 수 있다. 또한 고에너지 광원을 필요로 하는 첨단 분야의 제조 공정, 우주 분야, 첨단 과학 연구 등으로 응용 범위가 확대될 가능성도 있다.

고출력 레이저 산업 기반 확대 목표 

이번 연구는 일본 신에너지·산업기 술종합개발기구(NEDO)의 ‘NEDO Feasibility Study Program / Frontier Incubation Program’ 위탁 과제로 수행됐다. 하마마쓰 포토닉스는 이 과제에서 극한 소재, 즉 파워 레이저 분야의 연구개발을 수행하고 있다. 이번 2.0kW LD 바 성과는 해당 프로젝트의 일환으로 도출된 결과다.

회사는 이번 성과를 기반으로 향후 다중접합 LD 바 연구개발을 가속화해 더높은 광출력을 달성한다는 계획이다. 단일접합은 발광 활성층 역할을 하는 하나의 반도체 PN 접합을 가진 구조이며, 다중접합은 여러 PN 접합을 적층해 더 높은 광출력을 구현할 수 있는 구조다.

하마마쓰 포토닉스는 레이저 다이오드의 극한 출력 확장을 통해 2040년까지 파워 레이저 기반 신규 산업 창출에 기여하는 것을 목표로 하고 있다. 이와 함께 연구개발 과정에서 새로운 응용 분야를 발굴하고, 조기 상용화 가능 성도 모색할 방침이다.