한국표준과학연구원의 광학 관련 연구 소개

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1. 서론

우리나라 국가측정표준기관으로서의 한국표준과학연 구원(이하 KRISS)은 측정표준을 확립하고 측정과학기 술을 개발하여 이를 국민들에게 보급하는 임무를 수행하 고 있다. 그 가운데에는 광학과 관련된 기술이 매우 중요 한 역할을 하고 있다. 7개의 국제단위계(SI) 가운데 광학 과 직접 관련되어 있는 단위는 칸델라(cd)로 이는 사람의 눈이 느끼는 빛의 밝기에 대한 표준이며 각종 광원, 광검 출기, 그리고 광학 물질과 관련된 측정표준 기술이 확립 되고 발전되어 왔다. 또한 레이저를 이용한 광 기술이 바 탕이 되어 길이(m)와 시간(s) 표준이 확립되고 발전되어 왔다. KRISS는 이러한 광학과 관련된 연구 개발 분야에 서 우수한 인재를 확보하여 우리나라의 측정표준을 세계 적 수준으로 확립하고, 이를 통해 우리나라 광과학, 광기 술 및 광관련 산업을 뒷받침할 수 있도록 측정 소급성을 유지 발전시키고, 새로운 기술에 기반한 측정표준 기술 을 지속적으로 연구 개발하고 있다. 뿐만 아니라 광기술 을 기반으로 반도체, 디스플레이, 항공, 우주, 통신 등 다 양한 분야의 산업을 뒷받침하는 핵심 측정 기술을 통해 경제 발전에 많은 기여를 하고 있다.

이러한 업무들의 내용을 들여다보면 그 속에는 다양한 첨단 광학 기술들이 접목되어 있는데, 몇 가지 예를 들면,

단일 광자 수준을 다루는 양자광학 측정 기술, 고온 흑체 를 기반으로 하는 분광복사조도 및 휘도 측정 기술, 파장 가변 레이저를 기반으로 하는 광대역 분광감응도 측정 기술, 정밀 레이저 간섭계 기술, 고분해능 레이저 분광 기 술과 초정밀 광시계 구현, 대구경 반사경 제작 및 평가 기 술, 타원 광계측 기술 등이 그것이다.

광시계와 대구경 반사경 등은 이미 광학과 기술에서 소 개된 바 있으므로 생략하고 여기서는 그동안 소개되지 않 았던 내용 가운데 광학과 기술 구독자들의 흥미와 관심을 끌만한 것들을 위주로 몇 가지만 소개해 보고자 한다.

2. 단일 광자 광원 (single photon source generator) 개발

광측정 및 복사측정 분야 측정표준에서 최근 가장 중 요한 이슈 중 하나는 광자 수준의 매우 약한 빛을 정확하 게 측정하는 기술이다. 광자수준 측정기술은 최근 20여 년 동안 매우 급격하게 발전한 분야로써 양자암호, 양자 통신, 양자정보처리, 양자전산 등 기존의 기술수준을 뛰 어넘기 위한 과학기술의 첨단 분야에서 필요로 하고 있 다. 또한 의료계측, 고감도 원격관측 등 상업적 응용분야 에서도 광자계수 검출기가 사용되면서 광자수준 검출장

한국표준과학연구원의 광학 관련 연구 소개

김승관, 홍기석, 임선도, 배인호, 진종한*

* 한국표준과학연구원 기반표준본부

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한국표준과학연구원의 광학 관련 연구 소개 특집 ■ 세계 빛의 해 (IYL) 2015 특집

치의 정확한 평가와 교정에 대한 산업적 수요도 증가하 고 있는 추세이다. 하지만 기존의 측정표준은 광전변환 장치 기반으로 수십 nW 출력 수준의 약한 빛까지만 높은 정확도로 소급성을 제공하고 있으며 광자계수 검출기의 경우 검출효율의 교정이 광자계수분포 등 빛의 양자 광 학적 특성에 영향을 받으므로 고전적 광학기술만을 적용 하기 어려운 새로운 도전에 직면하고 있다. 학계 및 산업 계의 증가하는 수요에 대응하기 위하여 미국 NIST, 유럽 의 여러 측정표준 기관들은 2000년대부터 대학 연구팀 과 네트워크를 구성하여 광자수준 측정기술 연구 개발에 적극적으로 참여하고 있으며 KRISS 광도센터도 2012년 도부터 단일 광자 광원 개발에 참여하였다[1,2].

단일광자 광원개발 추세는 single emitter를 이용하는 광원과 쌍광자 광원에서 heralding 기술을 사용하여 실현 하는 광원 두 가지로 크게 구분할 수 있다[3,4]. 광도센터 에서는 이 가운데 single emitter 기반의 광원을 선정하여 개발하고 있으며 그 중에서도 Nitrogen Vacancy (NV) 또 는 Silicon Vacancy (SiV) 다이아몬드 기반의 단일 광자 광원을 개발하고 있다. NV 또는 SiV 다이아몬드 광원은 다이아몬드 박막에 N 또는 Si 원자가 결정구조에 치환되 어 생기는 color center를 단 한 개만 골라서 여기 시켜 단 일 광자를 발생시키는 원리로 동작하며 그 구조는 그림 1 과 같다.

단일 광자 발생 장치의 구조는 기본적으로 confocal microscope와 유사하다. 펄스형태로 발진된 펌프 광원은 단일 모드 광섬유와 대물렌즈를 통해 NV 또는 SiV 다이 아몬드에 집속되며 단일 광자 광원을 발진시킨다. 이렇 게 발진된 광원은 펌프 광원과 함께 나오기 때문에 dichroic mirror와 long pass filter를 통해 펌프 광을 제거

한다. 위 과정을 거쳐 발진된 단일 광자 광원은 단일 광자 수준 분광기를 통해 발진 파장을, 그리고 Hanbury Brown-Twiss interferometer를 이용해 단일 광자 발진 상 태를 평가하게 된다.

3. 중적외선 광원 개발

중적외선 영역은 약 2.5 μm에서 50 μm의 파장 대역으 로 다양한 물질의 흡수선이 존재하는 구간이다[5]. 대기 를 구성하고 있는 기체인 물, 이산화탄소, 메탄 등은 중적 외선 영역에서 강한 흡수선을 가지고 있어 대기의 상태 변화를 지속적으로 감시할 때 이 영역을 사용할 수 있을 뿐만 아니라 일산화탄소, 이산화질소 등 유독 가스에 대 한 흡수선도 포함하고 있어 가스로 인한 안전사고 예방 에 활용할 수 있다. 가장 먼저 중적외선이 상용화된 분야 는 의료이다. 6.45 ㎛는 뇌 조직을 정밀하게 절개하는 등 의 laser surgery에 사용되고 2.94 ㎛는 안과 및 치과 치료 에 사용된다. 발암 물질의 중적외선 흡수선을 이용하여 조기 암 진단에도 사용된다. 현재 중적외선의 활용분야 는 다양하여 대기투과대역 3 ㎛ ~ 5 ㎛의 중적외선은 군 사용 IR countermeasure로 사용되고 산업용으로는 플라 스틱 및 폴리머 공정에 활용되기도 한다. 또한 지구 위성 간 통신, 지구 관측, 달의 물 탐사 등 우주 개발 분야로도 그 활용이 확대되고 있다. 기존의 중적외선 응용에서는 수은 램프, 열 광원, CO₂ 레이저 등을 사용하였으나 최근 에는 quantum cascade laser (QCL), 희토류 첨가 광섬유 레이저, 비선형 광학 기반의 광원들이 활발히 개발되고 있다.

KRISS 광도센터에서는 넓은 파장 영역에서 가변 이 가능한 연속 발진 중적 외선 광원을 확보하기 위 하여 비선형 광학 기반의 차 주파수 발생 (DFG, difference frequency generation) 장치와 광 파 라메트릭 발진기 (OPO, o p t i c a l p a r a m e t r i c oscillator)를 개발하고 있

그림 1. KRISS에서 개발 중인 단일 광자 발생 장치 구조.

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파장 가변이 제한적이고 이 때문에 넓은 파장 대역폭을 가지는 중적외선 광원 개발에 적용시키기에는 무리가 있 을 수 있다. 이러한 점을 개선하고 파장가변이 매우 우수 하면서 고효율인 광원을 개발하고자 펌프 광원의 강한 흡수로 유도되는 열-도파로 (thermal-waveguide) 효과를 이용한 고효율의 광원 개발을 시도하고 있다. 열-도파로 효과는 비선형 결정 내부에 자체적으로 도파로를 유도하 기 때문에 결정의 주기를 기계적으로 변화시키더라도 제 약 없이 높은 변환 효율을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있 어 이를 이용하면 고효율의 넓은 파장 가변 영역의 광원 개발이 가능하다. 그림 2는 MgO:PPLN 결정을 중심파장 이 1064 nm인 레이저로 펌핑하였을 때 얻을 수 있는 DFG 파장을 결정의 온도가 각각 40 ℃, 80 ℃, 100 ℃ 일 때 Sellmeier 방정식에 따라 계산한 결과이다[8].

MgO:PPLN 결정의 온도와 함께 주기를 30 μm에서 32 μ m까지 변화시켰을 때 signal과 idler의 발생 파장이 약 1.5 μm에서 3.6 μm 까지 변화하는 것을 계산으로부터 확인 할 수 있다. 이 때문에 연속적인 주기를 갖는 fan-out 형태 의 MgO:PPLN 결정을 채택하여 발생 파장을 약 1.5 μm 에서 3.6 μm 까지 연속적으로 파장 가변 시킬 수 있는 중 적외선 DFG광원을 제작하였고 현재 열-도파로 효과를 이용하여 중적외선 차 주파수 발생 효율을 높이는 노력 을 기울이고 있다[9]. 추가적으로 이 열-도파로 효과를 이 용하면 고효율의 매개 상향 변환 방식의 검출기 개발 또 한 구현할 수 있을 것으로 예상하고 있다.

중적외선 OPO광원 개발은 orientation patterned GaAs (OP-GaAs) 또는 ZnGeP₂ (ZGP)를 비선형 결정으로 사용 하여 약 3 μm ~ 10 μm까지 파장 가변 광원을 얻는 것을 목표로 하고 있다[10]. OPO의 펌프 광원으로는 그림 3과 같은 구성의 2 μm 대역 파장 가변 단일 종모드 툴륨 첨가 광섬유 레이저를 개발하고 있다[11]. 광섬유 레이저는 1950 nm로부터 장파장 쪽으로 100 nm 이상 파장 가변 가능하였으며, 광섬유 고리 공진기를 통해 단일 종모드 발진을 확인하였다[12].

4. LED 조명 대응 측정 기술 개발

LED는 기존 조명소자와 비교하여 단위소자의 조명효 율이 높고, 조명 제품으로 구현 시 크기와 배광의 엔지니 어링이 자유로운 장점이 있어 차세대 조명소자로 활발히 개발과 응용이 이뤄지고 있다. 이러한 LED 조명 및 조명 소자의 가장 중요한 성능지표는 조명효율(단위: lm/W) 로 해당 광원의 전광선속으로부터 산출되며, 이는 보통 적분구광도계를 이용하여 측정이 이뤄진다. 그런데, LED 광원은 기존광원과 다른 크기, 배광분포, 분광분포, 재질 등으로 특성으로 인해 여러 단계의 보정이 이뤄지 지 않을 경우 낮은 수준의 불확도로 전광선속을 측정하 기가 어려운 점이 있으며, 특히 배광분포의 차이는 구조 적으로 피할 수 없는 적분구의 공간적 응답불균일성 때 문에 5 %가 넘은 오차를 발생시키는 것으로 알려져 있다 [13]. 이를 해결하기 위해 적분구의 공간응답의 뷸균일성 을 기존 단일포트 검출방식 적분의 경우인 16 %에서 4

그림 2. 결정 주기와 온도 변화에 따른 signal과 idler의 파장 변화.

그림 3. 파장 가변 단일 종모드 툴륨 첨가 광섬유 레이저 구성도.

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% 수준으로 개선시킬 수 있는 다중 포트 검출방식을 개 발하였다 (그림 4). 지향각 17° ~ 120° 범위의 배광을 갖는 광원에 대해 일반적인 단일 포트의 경우는 최대 6 %의 공간응답불균일에 의한 오차를 갖는 반면, 개발된 다중 포트 검출방식 적분구광도계는 최대 2 % 정도로 나타나, 대부분의 LED 조명기기에 대해 추가의 보정을 하지 않 고도 실용적인 조명효율 측정이 가능하다 [14]. 현재 본 적분구 광도계는 LED 및 신광원의 조명효율 측정뿐만 아니라 전광선속 눈금의 국가측정표준을 유지하는 핵심 기기로 활용되고 있다 (그림 5).

5. 반도체/디스플레이산업에서의 모드잠김 레이저를 이용한 정밀구조계측

반도체/디스플레이 산업에서는 새로운 반도체 소자와 디스플레이 디바이스들이 개발됨에 따라 길이와 관련된 검사 및 계측(measurement and inspection)분야에서 새로

운 측정 수요들이 생겨나고 있다. 공통 적으로 요구되는 특성은 (1) 시료의 손 상 없는 비접촉/비파괴 측정, (2) 공정상 에서 전수 검사가 가능한 고속측정 혹 은 실시간 측정, (3) 시료의 크기가 작아 짐에 따른 높은 측정 정밀도이다.

KRISS 길이센터에서는 이와 같은 산업 적 수요에 대응하고 나아가 차세대 길 이 표준을 확립하기 위해, 대역폭이 넓 은 모드 잠김 레이저(mode-locked laser) 기술과 분광형 간섭 기술을 활용하여 연구를 수행하고 있다.

우선, 반도체 산업에서는 스마트 기기의 출현으로 작 은 공간에 여러 가지 기능을 구현할 수 있는 삼차원 디바 이스에 대한 수요가 증가하고 있다. 이는 기존의 이차원 반도체 디바이스를 수직으로 쌓아 올려 구현한다. 이 경 우, 집적도를 높이기 위해 50 ㎛ 수준까지 얇아지고 있는 실리콘 웨이퍼의 정밀 두께 측정과 수직도선인 관통전극 의 단락을 검사하기 위해 관통전극의 지름과 깊이 측정 이 요구되고 있다. 이를 위해 적외선 대역의 모드잠김 레 이저를 이용하여 분광형 간섭계를 구현하여, 실리콘 웨 이퍼의 두께 측정을 수행하고 있다. 기존의 광간섭법의 경우, 실리콘 웨이퍼의 굴절률이 정확히 알려져 있지 않 으면 두께 측정의 정밀도가 저하되거나 측정이 어렵지 만, 간섭계의 구성을 달리하여 실리콘 웨이퍼의 계면들 과 간섭계의 거울면에서 반사되는 빛들을 분석하여, 실 시간으로 실리콘 웨이퍼의 두께와 굴절률을 측정할 수 있는 연구를 수행하고 있다[15-18]. 또한 분광형 간섭계 와 공초점 현미경 원리를 결합하여, 관통전극의 지름과 깊이를 동시에 측정할 수 있는 연구도 수행되고 있다 [19].

디스플레이분야에서는 고화질의 영상을 구현하기 위 해 OLED에 대한 관심이 높아지고 있으며, 동시에 대형 디스플레이 기판에 대한 수요도 늘어나고 있다. OLED 기판의 경우 여러 층으로 구성되어 있기 때문에, 각 층에 대한 두께 정보 뿐만 아니라 전체 층에 대한 두께 정보도 중요하다. 이를 위해 분광형 간섭 기법을 적용하여, 각 층 의 굴절률에 관계없이 전체 두께 및 각 층의 두께를 측정 하는 연구를 수행하고 있다. 또한, 대형 유리 기판의 두께 측정을 위해 진동 둔감 기법을 도입하여 대형유리 기판

그림 4. (a) 다중 포트 검출방식 적분구 광도계의 구조 (b) 개발된 적분구 광도계의 각도별 응답.

그림 5. 다중 포트 검출 방식 정밀 기기급 적분구 광도계.

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의 이송 중에도 두께와 굴절률을 측정할 수 있는 연구도 진행되고 있다. 또한, 산업용 광원을 위한 광섬유 기반의 모드 잠금 레이저를 설계 및 개발하고 있다. 그림 6은 KRISS 길이센터에서 수행하고 있는 반도체/디스플레이 분야의 정밀구조계측 연구에 대한 실험 장치와 측정 결 과를 보여준다.

6. 결론

지금까지 KRISS에서 수행 중인 광학 관련 연구 개발 주제들 가운데 단일 광자 광원, 중적외선 광원, LED 조명 대응 측정 기술, 모드잠김 레이저를 이용한 정밀 구조 계 측 기술 등에 대하여 간략하게 소개해 보았다. 앞으로 이 러한 연구 개발 내용들이 다양한 분야에서 일하고 있는 전문가들과의 교류를 통해 여러 측면에서 실제적으로 우 리 삶에 도움을 줄 수 있는 결과들로 만들어 갈 수 있기를 세계 빛의 해를 맞이하여 희망해 본다.

Quantum cryptography with a photon turnstile,” Nature, 420, 762 (2002).

[2] http://projects.npl.co.uk/MIQC/

[3] B. Lounis and W. Moerner, “Single photons on demand from a single molecule at room temperature,”

Nature, 407, 491-493 (2000).

[4] C. Wagenknecht, et al.,

“Experimental demonstration of a heralded entanglement source,” Nat.

Photonics, 4, 549–552 (2010).

[5] F. Adler, et al., “Cavity enhanced direct frequency comb

spectroscopy: Technology and Applications,” Annu. Rev. Anal.

Chem. 3, 175-205 (2010).

[6] In-Ho Bae, Han Seb Moon, Seung Kwan Kim, Seung-Nam Park, and Dong-Hoon Lee, “Self-guided operation of singly resonant continuous-wave optical parametric oscillator with thermally loaded MgO- doped PPLN,” Appl. Phys. B Rapid Communication, 106, 797-801 (2012).

[7] In-Ho Bae, Han Seb Moon, Seung Kwan Kim, Seung-Nam Park, and Dong-Hoon Lee, “Optical injection locking of a singly resonant continuous-wave optical parametric oscillator,” Opt. Lett. 38, 597-599 (2013).

[8] O. Gayer, Z. Sacks, E. Galun, and A. Arie, “Temperature and wavelength dependent refractive index equations for MgO-doped congruent and stoichiometric LiNbO3,” Appl.

Phys. B: Lasers Opt. 91, 343-348 (2008).

[9] In-Ho Bae and Dong-Hoon Lee, “Mid-infrared difference frequency generation based on fan-out grating MgO- doped PPLN,” to be presented at CLEO Pacific Rim 2015

그림 6. 반도체/디스플레이 산업에서의 정밀 구조계측; (a) 실리콘 웨이퍼 측정 장치 (비접촉/접촉식 방법),

(b) 관통전극의 지름 및 깊이 측정 결과, (c) OLED 시편의 삼차원 형상 측정 결과, (d) 대형 유리 기판 측정 장치.

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(Busan, Korea).

[10] V. Petrov, “Parametric down-conversion devices: the coverage of the mid-infrared spectral range by solid-state laser sources,” Opt. Mater. 34, 536–554 (2012).

[11] J.-K. Yoo, S. D. Lim, and S. K. Kim, “Tunable Single Longitudinal Mode Tm-doped Fiber Ring Laser,” to be presented at CLEO 2015 (San Jose, CA).

[12] J.-K. Yoo, S. D. Lim, and S. K. Kim, “Mode Analysis of Tunable Single Longitudinal Mode Tm-doped Fiber Ring Laser,” to be presented at CLEO-Pacific Rim 2015 (Busan, Korea).

[13] S. Park, S.-N. Park, and D.-H. Lee, “Six-port integrating sphere photometer with uniform spatial response,” Appl.

Opt. 50, 2220-2227 (2011).

[14] S. Park, D.-H. Lee, S.-N. Park, and C.-W. Park,

“Experimental validation of the six-port design for a highly uniform integrating sphere photometer,” Appl. Optics 52, 7178-7185 (2013).

[15] J. Jin, J. W. Kim, C.-S. Kang, J.-A. Kim, and T. B. Eom,

“Thickness and refractive index measurement of a silicon wafer based on an optical comb,” Opt. Express 18(17), 18339-18346 (2010).

[16] S. Maeng, J. Park, B. O, and J. Jin, "Uncertainty improvement of geometrical thickness and refractive index measurement of a silicon wafer using a femtosecond pulse laser," Opt. Express 20(11), 12184-12190 (2012).

[17] J. Park, J. Jin, J. W. Kim, and J.-A. Kim, "Measurement of thickness profile and refractive index variation of a silicon wafer using the optical comb of a femtosecond pulse laser," Opt. Commun. 305, 170-174 (2013).

[18] J. Jin, S. Maeng, J. Park, J.-A. Kim, and J. W. Kim,

“Fizeau-type interferometric probe to measure geometrical thickness of silicon wafers,” Opt. Express 22(19), 23427- 23432 (2014).

[19] J. Jin, J. W. Kim, C.-S. Kang, J.-A. Kim, and S. Lee,

"Precision depth measurement of through silicon vias (TSVs) on 3D semiconductor packaging process," Opt.

Express 20(5), 5011-5016 (2012).

약 력

김승관 박사

•2015년 1월–현재

KRISS 기반표준본부 광도센터, 센터장

•2003년 1월–현재

KRISS 기반표준본부 광도센터, 책임연구원

•1997년 2월

한국과학기술원 물리학과, 이학박사

홍기석 박사

•2011년 2월–현재

KRISS 기반표준본부 광도센터, 선임연구원

•2010년 2월

임선도 박사

•2012년 5월–현재

•2009년 2월

배인호 박사

•2014년 10월–현재

•2012년 2월

부산대학교 물리학과, 이학박사

박성종 박사

•2005년 4월–현재

KRISS 기반표준본부 광도센터, 책임연구원

•2005년 2월

진종한 박사

•2008년 12월–현재

KRISS 기반표준본부 길이센터, 책임연구원

•2006년 8월

한국과학기술원 기계공학과, 공학박사