국내 연구진이 데이터센터나 양자통신 등에 널리 쓰이는 양자점 레이저를 대량으로 생산할 수 있는 기술개발에 성공했다. 이로써 반도체 레이저의 생산단가를 기존 대비 6분의 1로 대폭 줄일 수 있는 길이 열렸다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 그동안 연구용으로만 쓸 수 있었던 양자점 레이저를 유기화학 기상 증착장비(MOCVD) 시스템을 이용해 국내 최초로 대량생산할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다.

ETRI 광통신부품연구실은 생산성이 우수한 유기화학기상증착장비를 이용해 갈륨비소(GaAs) 기판 위에서 광통신용 1.3㎛ 파장대역에서 활용 가능한 인듐비소/갈륨비소(InAs/GaAs) 양자점 레이저 다이오드 개발에 성공했다.

기존 양자점 레이저 다이오드는 분자선증착장비(MBE)를 이용해 만들었다. 하지만, 본 장비의 경우, 증착 속도가 느려 생산 효율이 낮아 양산하기 쉽지 않았다. 연구진이 생산 효율이 높은 MOCVD를 활용하여 양자점 레이저를 생산성을 높였다. 양자점 레이저는 온도특성이 좋고 기판 결함에 대해 비교적 자유롭다. 따라서 기판 대면적화가 가능한 셈이다. 이로써 저전력 광원개발이 가능해 소비전력을 대폭 줄이고 생산단가도 줄일 수 있다.

연구진이 개발한 양자점 제조 기술은 양자점의 밀도가 높고 매우 균일한 장점을 가지고 있다. 개발한 양자점 반도체 레이저는 최대 75도까지 연속 동작했다. 본 결과는 유기화학기상증착법의 결과로는 세계 최고 수준이다.

기존 통신용 소자는 고가의 2인치 크기의 인듐인(InP) 기판을 사용해 제조 단가가 매우 높았다. 본 기술은 인듐인 기판보다 가격은 1/3 이하이며 최대 6 인치 갈륨비소(GaAs) 기판을 사용해 통신용 반도체 레이저 제조 비용을 1/6 이하로 낮출 수 있을 것으로 연구진은 보고 있다.

본 기술은 결함 밀도가 높은 대면적 기판을 활용할 수 있어 공정 시간 단축 및 소재 비용 절감이 쉽게 이루어질 수 있다.

연구진은 본 성과를 더욱 고도화해 검증을 통해 신뢰성을 높여 국내 광통신 기업에 기술이전한다는 계획이다. 기업은 ETRI 통신용 반도체 파운드리를 통해 핵심 기술과 인프라를 지원받아 제품 상용화 시기를 단축할 예정이다.

향후 개발 기간과 생산 비용을 크게 줄여 제품 가격 경쟁력을 향상할 수 있어 해외시장 점유율을 증가시킬 것으로 보고 있다. 이로써 국내 광통신 부품 산업 성장을 촉진할 수 있을 것이라 예상했다.

현대사회에서 광통신은 우리 산업의 대동맥과 같은 역할이다. 연구진의 이번 성과는 향후 아파트단지에서 대도시, 해저 광케이블까지 연결하는 광통신용 광원개발에 획기적인 전기가 될 전망이다.

본 연구에 참여한 충북대학교 금대명 교수는 “양자점 대량 생산 기술은 향후 고가의 광통신 소자의 생산 단가를 낮출 수 있어 국가 광통신 부품 산업의 경쟁력을 강화뿐만 아니라, 기초과학 연구 분야에도 크게 기여할 수 있다”고 말했다.

ETRI 광통신부품연구실 김호성 박사는 “이번 연구 결과는 상업성과 원천성을 동시에 확보한 사례로 향후 광통신용 반도체 레이저 산업의 패러다임을 바꿀 수 있는 중요한 결과이다”고 밝혔다.

본 성과는 ETRI 기본사업 ‘ICT 창의기술 개발’과제를 통해 이루어졌다. 최근 국제 SCI 저널에도 게재되었다.