심자외선 레이저 다이오드(UV-C 영역까지의 파장)의 세계 최초의 실온 연속파 레이징은 일본 중부에 있는 나고야 대학의 지속 가능성을 위한 재료 및 시스템 연구소(IMaSS)의 연구팀에 의해 완료되었습니다. 2014년 노벨상 수상자 아마노 히로시.

Applied Physics Letters 저널에 발표된 이러한 발견은  살균 및 의학과 같은 다양한 용도의 잠재력을 가진 기술의 광범위한 채택을 향한 중요한 단계를 나타냅니다.

1960년대에 도입된 이후 수십 년간의 연구 개발 끝에 레이저 다이오드(LD)는 마침내 적외선에서 청자색에 이르는 파장을 가진 다양한 응용 분야를 위해 성공적으로 상용화되었습니다. 이 기술의 예로는 자외선 LD를 사용하는 블루레이 디스크와 적외선 LD를 사용하는 광통신 장치가 있습니다.

그러나 전 세계 연구팀의 노력에도 불구하고 누구도 심자외선 LD를 만들 수 없었다. 2007년 이후, UV 발광 소자용 질화알루미늄갈륨(AlGaN) 필름을 성장시키기 위한 완벽한 소재인 질화알루미늄(AlN) 기판을 만드는 기술이 등장했습니다.

2017년에는 Amano 교수 연구팀이 2인치 AlN 기판 공급업체인 Asahi Kasei와 공동으로 심자외선 LD 개발을 시작했습니다. UV-C 레이저 다이오드의 개발은 초기에 장치에 충분한 전류를 주입할 수 없었기 때문에 방해를 받았습니다.

그러나 2019년 연구팀은 이 문제를 성공적으로 해결하기 위해 분극 유도 도핑 기술을 사용했다. 그들은 처음으로 짧은 전류 펄스를 사용하는 자외선-가시광선(UV-C) LD를 만들었습니다.

이러한 전류 펄스에는 5.2W의 입력 전력만 필요했습니다. 전력으로 인해 다이오드는 빠르게 가열되고 레이징을 중지하여 연속파 레이징에 대해 너무 높게 만듭니다.

이 장치의 구조는 이제 Nagoya University와 Asahi Kasei의 과학자들에 의해 변경되어 레이저가 상온에서 단 1.1W로 작동하는 데 필요한 구동 전력을 줄였습니다. 이전 장치는 레이저 스트라이프에서 발생하는 결정 결함으로 인해 효율적인 전류 경로를 생성할 수 없었기 때문에 작동하는 데 많은 전력이 필요하다는 것이 밝혀졌습니다.

그러나 연구원들은 이 연구에서 이러한 결함을 일으키는 원인이 강한 결정 변형이라는 것을 발견했습니다. 그들은 결함을 성공적으로 억제하여 레이저 다이오드의 활성 영역으로의 효과적인 전류 흐름을 달성하고 레이저 스트라이프의 측벽을 영리하게 조정하여 작동 전력을 낮췄습니다.

나고야 대학의 산학 협력 플랫폼인 미래 전자 공학 통합 연구 센터인 변형 전자 설비(C-TEF)는 새로운 UV 레이저 기술을 개발할 수 있게 했습니다.

C-TEF는 Asahi Kasei의 연구원들이 나고야 대학 캠퍼스의 첨단 시설에 접근할 수 있도록 하여 신뢰할 수 있는 고품질 장치를 만드는 데 필요한 인력과 리소스를 제공합니다.

연구팀의 장자이(Ziyi Zhang)는 아사히 카세이(Asahi Kasei) 2학년 재학 시절 프로젝트 시작에 참여했다.

나는 새로운 것을 하고 싶었다. 그 당시에는 모두 심자외선 레이저 다이오드가 불가능하다고 생각했지만 Amano 교수는 '파란색 레이저에 도달했습니다. 이제 자외선을 사용할 때입니다.'라고 말했습니다.

Ziyi Zhang, 연구원, Asahi Kasei

이 연구는 파장의 전체 스펙트럼에 걸쳐 반도체 레이저의 실제 사용 및 발전에 전환점이 되었습니다. 미래에 UV-C LD는 고화질 레이저 처리, 바이러스 탐지, 미립자 측정 및 가스 분석에 사용될 수 있습니다.

Zhang은 “ 살균 기술에 대한 적용은 획기적일 수 있습니다. 시간이 비효율적인 현재의 LED 살균 방식과 달리 레이저는 짧은 시간에 먼 거리에 걸쳐 넓은 면적을 살균할 수 있습니다. ”

멸균 수술실과 수돗물이 필요한 외과 의사와 간호사에게 이 기술은 매우 유용할 수 있습니다.

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