물리학과 첨단기술 June 2007 26

미세 이 가공 기술

손익부․최성철․노 철

저자약력

손익부 박사는 경북대학교 전자공학과 공학박사(2003)로서, 2005년부

터 현재 광주과학기술원 고등광기술연구소 미세광학연구실의 선임연구원

으로 재직 중이다. (ibson@gist.ac.kr)

최성철 박사는 고려대학교 화학과 이학박사(2002)로서 2004년부터 현

재 광주과학기술원 고등광기술연구소 미세광학연구실의 박사후연구원으로

재직 중이다. (scchoi@gist.ac.kr)

노영철 박사 약력은 본문 2쪽 참조.

머리말

이 미세 가공기술은 가공 도구인 이 빔의 고집속

시/공간 정 제어가 가능하여 반도체, 자, 자동차, 메카트로닉스 등의 첨단산업 분야에서 고품질의 부품을 가공하

는데 필수 인 기술로 리 활용되어 왔다. 한 환경 친화

이며, 비 공정으로서, 수십 마이크로미터 크기의 형상을

갖는 부품 가공 역에서 기존의 공정을 체하는 신 공정 개

발에 기여하여 왔었다. 그러나 최근 이 가공 공정은 열

가공 상 분해능의 한계로 인하여 경량, 박 , 고 도,

고집 화 되어가고 있는 산업의 추세를 따르기 힘들어졌다. 이에 따라 기존의 이 가공방식보다 더욱 정 한 새로운

개념의 첨단 이 가공기술의 개발에 한 필요성이 두

되고 있다. 이와 같은 첨단 이 는 수 미크론 의 형상 가

공뿐만 아니라 열 향이 없으며 3차원 가공이 가능한 펨토

이 가 표 이다.[1,2]

펨토 의 펄스폭을 갖는 이 의 발진/증폭 기술의 상용

화와 격한 발 은 이 미세가공 기술에 있어서 새로운

장을 열었고, 근래 이에 한 연구가 집 으로 이루어지고

있다. 이는 피코 이하의 지속시간을 갖는 펨토 펄스가

재 상용화된 재료가공 공정에 많이 이용되는 나노 펄스와

는 근본 으로 다른 특징을 지니고 있기 때문이다. 먼 , 펨토 펄스의 경우 열확산 길이가 나노 에 비해서 매우 짧아

서 라즈마나 유동장의 형성 이 에 어블 이션이 일어나므

로 열 향부 생성과 유체역학 효과로 인한 가공정 도

하를 크게 일 수 있다. 한 펨토 단 의 극히 짧은 펄스

는 집속면의 출력 도를 1015 W/cm2 수 이상으로 올릴 수 있

도록 해 다. 이러한 높은 조사도는 여러 가지 측면에서 이 -물질 사이의 상호작용을 본질 으로 변화시키고 새로운 상들

을 유발한다. 특히, 펨토 이 가공은 극도의 높은 첨두출력

(>10 GW)에 의한 비선형 상인 다 자 흡수(multi-photon absorption) 로세스에 의해 3차원 정 가공의 실 이 가능

하고, 이 빔의 회 한계보다 미세한 가공이 가능한 장 을

갖는다. 이와 같이, 펨토 이 가공은 기존의 한계를 극복

한 새로운 이 가공이며, 21세기 다양한 산업의 발 에 큰

향을 주는 첨단 미세 가공이다. 통신 산업, 바이오․의료

산업, 나노․신소재 산업, 환경․원자력 산업, 반도체․컴퓨터 산

업 등의 다양한 응용분야와 큰 시장을 형성하고 있다. 고등 기술연구소에서는 펨토 이 의 미세 가공 기술

응용 연구를 진행하고 있으며, 산․학․연에 이 가공 기

술 지원 공동 연구를 수행하고 있다. 한 극 단 양자빔

을 구축하고 있는 고등 기술연구소의 펨토 이 원에

한 기술력을 바탕으로 최근에는 세계 최 로 100 kHz 펨토

이 가공 시스템을 구축하여 산업체 용을 한 고속

미세 가공 연구를 진행하고 있다.[13] 본 고에서는, 고등 기술

연구소 미세 학연구실에서 최근에 진행하고 있는 미세

이 가공에 한 연구내용과 실험결과를 소개하고자 한다.

펨토 이 를 이용한 미세 가공 기술

펨토 이 를 이용한 이 가공에서 가장 큰 특징은

이 의 펄스폭이 재료의 열 시간보다 짧기 때문에 재

료의 열 손상이나 구조변화를 발생시키지 않는 장 이 있다. 다시 말하면, 재료의 국부 인 부분이 극도의 짧은 시간 내에

제거되어 일반 인 이 가공에서 나타나는 열 확산 상

은 발생되지 않으며 기존 이 의 열 가공보다 정 한 가

공이 가능하다. 펨토 이 는 가공물의 주변에 형성되던

용융물 잔유물(debris)의 발생도 부분 억제할 수 있고

발생된다 하더라도 매우 미세한 우더 형태이며 이는 쉽게

세척이 가능하다는 장 이 있어 재 세계 으로 각 을

받고 있다.[1,2] 한, 펨토 이 는 다 자 흡수(multiphoton absorption)에 의한 가공 원리에 의해서 가공물질에 제한

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그림 1. 펨토초 레이저 가공 시스템.

(a)

(b)

그림 2. 펨토초 레이저를 이용한 실리콘 기판 및 알루미늄 호일 패터닝.

이지 않으며 속, 유 체, 세라믹 등 다양한 재질의 정 가

공이 가능하다.그림 1은 고등 기술연구소 미세 학연구실에서 보유하고

있는 펨토 이 가공 시스템 사진이다. 펨토 이 는

장이 785 nm, 펄스폭이 184 fs, 펄스 반복률이 1 kHz, 그리고 최고 펄스 에 지는 1 mJ인 사이버 이 사의 IFRIT와

장이 785 nm, 펄스폭이 50 fs, 펄스 반복률이 100 kHz, 그리고 최고 펄스 에 지는 28 uJ의 사양을 가지는 자체 제

작한 펨토 이 를 운용하고 있다. 펨토 이 가공 시

스템은 가공 상을 얻을 수 있는 학 미경, 3차원 정 구

동 스테이지와 고속 스캐 장치에 펨토 이 펄스 제어, 세기 조 장치들로 구성되어 있다. 다양한 형태의 가공 로

그램과 CAD 로그램을 이용한 3차원 가공이 가능하다. 이러

한 펨토 이 가공 시스템을 이용하여 다양한 재질의 미

세 가공에 한 실험을 하 다. 그림 2는 펨토 이 를 이

용한 실리콘 기 의 미세 홀 가공 알루미늄 호일 가공 결

과를 보여 다. 5 mm/s의 스캔 속도로 실리콘 기 에 직경

이 30 µm인 주기 인 홀을 가공하 으며, 홀 하나의 제작 시

간은 1 정도이다. 그림 2(b)는 알루미늄 호일에 주기 인 패

터닝을 하여 테라헤르쯔 연구에 응용한 이다. 이와 같이 펨

토 이 는 가공물의 주변에 형성되던 용융물 잔유물

(debris)의 발생도 부분 억제할 수 있고 발생된다 하더라도

매우 미세한 우더 형태이며 이는 쉽게 세척이 가능하다.이 를 이용한 가공에서 특히 유리 가공은 쉽지가 않은데,

본 연구실에서는 펨토 이 스캐 가공 시스템을 이용하

여 5 mm/s의 스캔 속도로 유리의 정 홀 가공이 가능함을

보 다. 그림 3 사진은 두께가 1 mm인 유리에 펨토 이

펄스를 유리의 아래 면에 조사하여 로 가공(back-side ablation)하여 직경이 0.3, 0.5, 1, 2 mm인 수직 구멍의 측면

과 SEM 측정 사진이다.펨토 이 를 이용한 정 미세 패턴 가공은 최근에 각

받고 있는 LCD와 PDP 같은 디스 이 분야에 활용이 가능하

다. 국내 LCD 업체들이 LCD TV 시 를 앞당기고 타 디스

이와의 경쟁 우 를 해 최근 신 인 새로운 공정기술 개발

에 착수하면서 장비․재료 분야의 일 명 인 변화가 래될

망이다. 이르면 3년 이내에 가시화될 LCD 장비․재료 분야의

명 인 변화는 새로운 공정 개발로 비용을 최소화하는 것이

핵심이다. 그 에서 매트릭스 구동 디스 이에 사용되는 투

명 극의 재료인 ITO(Indium-Tin Oxide) 패터닝에 한 이

가공이 최근에 많은 심을 끌고 있다. 지 까지 개발된 재

료 에는 ITO가 가장 투명하면서 기도 잘 통하고 생산성도

좋기 때문에 이것을 투명 극의 재료로 사용한다. ITO는 기

재료인 유리에 비해서 threshold가 낮아서 펨토 이 를 사

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(a)

(b)

그림 4. 펨토초 레이저를 이용한 ITO 패터닝(patterning).

(a)

(b)

그림 3. 펨토초 레이저를 이용한 유리 가공(drilling).

용하면 유리에 손상을 주지 않고서 매우 정 한 가공을 할 수

있다(그림 4(a)). 그러나 기존의 펨토 이 가공은 가공 속

도가 느리다는 문제 을 가지고 있다. 본 연구실에서는 스캐

가공 시스템을 구축하여 고속 펨토 이 가공기술을 연구

하 다. 그림 4(b)는 펨토 이 스캐 가공 시스템을 이용

하여 유리 기 에 100 nm 정도의 두께로 코 된 ITO 박막

을 20 mm/s의 스캔 속도로 0.1☓0.1 mm2 크기를 갖는 주기

인 사각 패턴을 가공한 ITO 패터닝 측정 사진이다. 펨토

이 와 스캐 가공 시스템을 이용하게 되면 가공 속도가 빠

르다는 장 이외에도, ITO와 유리의 threshold 차이가 커서 가

공에 필요한 이 세기의 범 가 넓고, 즈의 거리가 길

어서 샘 의 정확한 수평을 잡을 필요가 없어서 가공이 쉽고

실제 산업체 용 가능이 높다고 할 수 있겠다.펨토 이 응용기술은 최근 들어 BT산업의 기본이 되

는 미소 유동체 디바이스 제작 련 정 측정기술 개

발 등에 이용되고 있으며 바이오 칩과 센서, 라식수술 세

포 내 물질 사에 한 BT․NT 융합 기술개발에 이 기술이

활용되고 있는 추세이다. 의료․바이오 분야에 용하면 라식

수술시 우려되는 각막 손상을 최소화할 수 있으며 바이오칩

가공시 유리면에 미세한 홀을 만들어 섬유 센서를 장착할

경우 헤모 로빈 개수 등 액 성분의 정 계측도 가능해

진다. 그림 5(a)는 펨토 이 를 이용하여 제작한 바이오

칩(bio-chip)에 용되는 마이크로 믹서(micro-mixer) 미경

측정 사진이다. 바이오칩은 미경으로 볼 때 시료를 얹는 작

은 유리기 크기의 실험 장치이다. 칩 에 머리카락보다 가

는 미세한 통로가 거미 처럼 연결되어 있어 피 한 방울을 넣

으면 미세 통로를 따라 흐르면 기 , 학 특성을 이용하

여 액 내의 DNA나 단백질을 추출해 생체 정보를 종합 으

로 검사할 수 있다. 그림 5(b)는 펨토 이 를 이용하여 가

공한 (bone)의 미경 측정 사진이다. 치과에서 치아에 구멍

을 뚫을 때 사용하는 기계 드릴링 방식은 열이 발생하여 가

공면 주변의 세포가 죽게 되는 문제가 발생한다. 열에 의한

향이 거의 없는 펨토 이 를 사용하게 되면 이러한 문제

를 해결할 수 있으며 보다 다양한 응용이 가능할 것이다.섬유 기술의 발달은 B-ISDN, CATV 등 고속, 역을 요

하는 서비스의 개에 있어 필수 인 기반기술이라고 볼 수 있

다. 1966년 처음 섬유의 이론이 발표된 이래 오늘까지 섬

유 기술은 타 기술에 비해 비약 인 발 을 거듭하여 재 해

통신망을 비롯하여 LAN(Local Area Network) 등에 속히

응용되고 있으며, 국가차원 FTTH(Fiber To The Home) 개

등 향후 시장성은 타 기술에 비해 매우 높다. 그 에서 자결

정 섬유(Photonic Crystal Fiber: PCF)는 일반 섬유와는

달리 빛이 공기로 진행하기 때문에 손실이 매우 낮고 비

선형성 한 매우 낮아 향후 송, 센서, 비선형 학 등의

분야에 다양하게 응용될 수 있을 것으로 인정받는 차세 섬

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(a)

(b)

그림 5. 펨토초 레이저를 이용한 바이오 칩과 뼈 가공(drilling).

(a)

(b)

그림 6. 펨토초 레이저를 이용한 광섬유 45도 절단(cutting).유다. 이러한 PCF를 사선으로 단하거나 특수한 형태로 가공

하는 것은 기존의 기계 방식으로는 한계가 있으며, 한 펄스

폭이 넓은 이 를 사용하면 PCF를 구성하는 홀들이 녹아서

막히는 문제가 생기게 된다. 그림 6(a)는 펨토 이 를 이용

한 PCF 45도 단에 한 실험 결과를 보여 다. 깨끗한 가공

면을 얻을 수 있으며 원하는 형태로 가공이 가능하다는 이 이

있어 그 응용 가능성은 높다고 할 수 있겠다. 그리고 그림 6(b)에서 보는 것처럼 아크로 제작된 볼 즈 섬유를 반사 조

건을 만족하는 각도로 단하게 되면 섬유 코어로 입사된 빛

을 90도로 반사하여 집 하게 된다.높은 첨두출력(peak power)을 가지는 펨토 이 펄스를

투명물질의 내부에 집 하게 되면 다 자 흡수(multi-photon absorption) 이온화 등의 비선형 상에 의해서 굴 률

변화를 유기하게 된다. 한, 자기집속(self-focusing) 상에

의해서 가공 선폭은 더욱 작아지게 되며, 최근에는 서 미크

론 크기의 주기 인 패턴으로 이루어진 회 격자(diffraction grating) 소자에 한 응용 연구가 많이 이루어지고 있다. 그러나 일반 으로 회 격자 응용 소자들은 매우 많은 패턴들

로 이루어져 있어 펨토 이 를 용하기에 가공 시간이

문제가 된다. 기존의 마스크를 이용한 반도체 공정이 있지만

다양한 패턴을 탄력 (flexible)으로 응이 요구되는 분야에

는 근본 으로 무리가 있다.본 연구실에서는 장이 785 nm, 펄스폭이 184 fs, 반복률이 1

kHz인 펨토 이 펄스를 포 스 셀(Pockels-cell)을 이용하여

제어(switching)하고, 가공 시스템과 동기화(synchronization)하여 다양한 형태의 3차원 패턴을 형성할 수 있다. 한, 각각

의 펄스를 이용하여 패턴을 형성함으로써 1 kHz의 반복률을

가지는 펨토 이 를 이용하여 당 1000개씩의 미세 패

턴 가공이 가능하여, 많은 수의 서 미크론크기의 패턴들로

이루어져 있는 회 격자(diffraction grating) 응용에 유용하

다. 펄스 가공 속도는 이 펄스의 반복률에 의해서 결정된

다. 펨토 이 에서 조사되는 1 kHz 펄스의 Sync out 신호를 동기화 장치를 이용하여 가공이 이루어지는 스테이지의

PMAC motion controller와 연동이 되게 하고 펄스 스 칭

은 포 스 셀을 통해서 이루어진다. 이와 같이 동기화된 펨토

이 펄스는 메인 로그램에서 편집되는 3차원 패턴을

가공하게 된다. 그림 7(a)는 동기화된 펨토 이 펄스 패

터닝 시스템을 이용하여 폴리머 내부에 미세 패턴으로 사람

의 얼굴을 구 한 미경 측정 사진이다. 50배율의 objective lens (NA=0.55)를 사용하고, 펨토 이 펄스 가공법을

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(a)

(b)그림 7. 펨토초 레이저 펄스 패터닝에 의해 폴리머 내부에 제작된 미세

패턴 형상 및 칼라 이미지.

(a)

(b)

(c)

그림 8. 펨토초 레이저를 이용한 광정보저장 응용 예.

이용하여 폴리머 내부에 집 시킴으로써 선폭과 패턴 간격이

각각 500 nm와 2 µm로 제작된 패터닝 이다. 제작된 샘

의 과 코 부분을 미경을 이용하여 500배율로 확 하여

측정하 다. 동기화된 펨토 이 펄스 패터닝 로그램을

통하여 다양한 형태의 패턴을 편집하여 사용할 수 있으며, 패턴의 치, 크기, 간격, 패턴 지우기와 채우기 등 다양한 기능

을 이용하여 원하는 패턴 구조를 고속으로 제작할 수 있다. 주기 인 구조를 가지는 이러한 회 패턴들에 의해서 장

이 짧은 보라색부터 장이 긴 빨강까지 여러 길이의 장의

빛들이 혼합된 백색 이 회 상에 의해서 장들이 분리

되어 무지개 빛으로 이미지를 볼 수가 있는 것이다. 이와 같

이 미세한 패턴으로 다양한 형태의 칼라 이미지를 얻을 수

있으며, 이것은 일종의 color marking이라고 할 수 있겠다. 그림 7(b)는 이 게 제작된 폴리머 샘 에 백색 을 조사하여

디지털 카메라를 통하여 얻은 칼라 이미지 측정 사진이다.지 까지 펨토 이 를 이용한 정보 장(optical memory)

에 한 연구가 세계 몇몇 그룹에서 꾸 히 진행되고 있

다.[11,12] 다양한 물질에 펨토 이 펄스에 의한 형 특

성 3차원 정보 장에 한 연구가 이루어지고 있다. 그러

나 펨토 이 의 정보 장 용에 있어서 해결해야 할

문제 에 하나는 가공시간이 오래 걸리는 것이다. 본 연

구실에서는 동기화된 펨토 이 펄스 패터닝에 한

다른 로써, 고집 면 정보 장에 용하 다. 펨토

이 를 정보 장에 용하는데 있어서의 가공시간 문제

를 극복하고 다양한 형태의 정보 장에 한 실험 결과를 그

림 8에서 볼 수 있다. 그림 8(a)는 실리카 내부에 기록된 고

등 기술연구소의 문 이니셜인 APRI이며, 그림 8(b)는 펨

토 이 로 제작된 세계지도에서 아시아 부분을 확 하여

측정한 미경 사진이다, 그리고 그림 8(c)에서는 1.4☓0.6 mm2

의 사이즈에 기록된 천자문을 보여 다. 이와 같이 동기

화된 펨토 이 를 이용하면 서 미크론 크기를 갖는 다

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(a)

(b)

그림 9. 펨토초 레이저에 의해서 제작된 (a) 광도파로와 (b) 빔 측정 사진.

(a)

(b)

그림 10. 펨토초 레이저에 의해서 제작된 (a) 광분배기와 (b) 출력 빔

측정 사진.

양한 형태의 패턴 가공을 할 수 있다. 당 천개의 패터닝

속도로 정보 장(optical memory), 주기 인 포토닉 밴드 갭

(photonic band gap) 구조를 갖는 자결정(photonic crystal)이나 래그 격자(Bragg grating) 제작이 가능하며, 그 외에

도 다양한 응용이 가능할 것이다.

펨토 이 를 이용한 도 로 학 소자 응용

펨토 이 를 이용한 가공은 투명물질(transparent ma-terial) 내부에서도 가능하며 미소공간에서 굴 률 변화를 유

기하거나 발 성 결함을 생성하여 고 도 메모리(optical memory), 도 로(optical waveguide) 자결정(photonic crystal)과 같은 통신 소자 제작에 폭넓게 응용되고 있다. 높은 첨두출력(peak power)을 가지는 펨토 이 펄스를

투명물질의 내부에 집 하게 되면 다 자 흡수(multi-photon absorption) 이온화 등의 비선형 상에 의해서 굴 률

변화를 유기하게 된다. 한, 자기집속(self-focusing) 상에

의해서 가공 선폭은 더욱 작아지게 된다. 이와 같이 펨토

이 를 이용하여 도 로 통신 소자를 제작할 수 있

다. 그동안 반도체의 미세한 고집 회로를 제작하는 데는 먼

지 등 불순물을 제거하기 한 청정실이 반드시 있어야 했다.

그러나 이 기술을 용할 경우 식각작업에 필요한 청정실 등

의 부 시설 없이 이 작업만으로 고집 소자 제작이

가능하다. 펨토 이 를 이용한 도 로 소자 제작은

재 세계 으로 많은 연구가 진행되고 있다.[3-7] 도 특성

도 기존의 폴리머나 실리카 도 로를 능가하는 0.1 dB/cm 이하의 도 손실(propagation loss)이 보고되고 있다. 그림

9는 펨토 이 에 의해서 제작된 도 로 빔 측정 사

진이다. 펨토 이 펄스 세기와 스캔 속도를 조 하여 투

명재질 내부에 유기되는 굴 률 변화 정도를 조 할 수 있다. 제작된 도 로의 굴 률 변화는 0.006 - 0.01 정도 으며, 송손실(propagation loss)은 0.8 dB/cm 다.그림 10은 펨토 이 에 의해서 제작된 분배기(splitter)

와 출력 빔 측정 사진이다. 분배기는 펨토 이 펄스를

20배의 물 즈 (0.4 NA)로 집속하여 실리카 표면에서 24 µm 깊이에 제작하 다. 펨토 이 를 이용하여 소자뿐

만 아니라 섬유와의 정렬을 한 U-groove 제작도 동시에

이루어졌다.[8] PLC(Planar Lightwave Circuit) 소자에서 비

용을 크게 차지하는 것이 패키징이다. 일반 으로 제작된

소자에 리본형 섬유를 정렬하게 되는데 있어서 비용이 많

이 드는 능동형 정렬(active align) 방식을 사용하게 된다. 그

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(a)

(b)

그림 11. 펨토초 레이저를 이용한 PPLN waveguide 제작 개념도와 측

정된 2차 조화파 곡선 (20 ℃). QPM 중심파장은 1563.16 nm이고, 2

차 조화파의 FWHM은 약 0.25 nm이다.

(a)

(b)

그림 12. 펨토초 레이저에 의해서 단면에 회절격자가 형성된 단일모드

광섬유, (b) 현미경 측정 사진.

림 10에서 보는 것처럼 섬유 정렬용 U-groove를 제작하게

되면 수동 정렬(passive align)을 할 수 있어 단가를 낮출 수

가 있다. 제작된 분배기의 출력 특성은 1550 nm 입력 신

호 에서 0.8 dB/cm의 송손실을 가졌다. 이와 같이 펨토

이 는 고집 3차원 소자 제작에 유용하며 세계

으로 다양한 연구가 진행되고 있다.주기 으로 분극 반 된 LiNbO3(PPLN) 도 로 소자를 기

반으로 한 상 정합(QPM) 장 변환 소자는 장 변

환, 소형 이 원, 논리소자, 펄스 압축 등 다양

한 비선형 응용분야에 사용될 수 있다. 일반 으로 PPLN 도로 소자는 APE(Annealed Proton Exchange), Ti 확산, Zn

확산 등의 방법으로 만들어진다. 이러한 방법들로 만들어진

도 로 소자는 도 손실이 낮은 장 이 있으나, 도 로가 LN 표면 근처에서 만들어져, 이상 인 도 모드를 가지기 힘들

다. 한 제작과정에서 고온 처리, 산 처리, 리소그라피와

같은 여러 단계의 공정이 필요하다. 최근 들어, 이 를 이

용한 새로운 형태의 LN 도 로 소자가 시연되었다. 이 를

이용한 도 로 가공은 도 로를 3차원 형태로 만들 수 있고, 제작 공정이 간단하다는 장 을 가지고 있다. 지 부터 펨토

이 를 이용하여 PPLN 샘 내부에 도 로를 제작하고, 2차 조화 를 발생시킨 결과를 소개한다.[9]

펨토 이 를 이용한 PPLN waveguide 제작 개념도는

그림 11과 같다. 제작된 PPLN 도 로 소자를 나타내며, 도로는 펨토 이 (1 kHz, 130 fs, 0.5 mJ @ 781 nm) 빔을 20배의 물 즈(0.4 NA)로 집속하여 PPLN 표면에서 20 µm 깊이에 만들었다. 도 로 소자의 길이는 44.8 mm 고, 도 로 체 손실은 1550 nm의 TM 편 에서 -12.9 dB다. 한 도 로의 모드 크기는 11.7 µm × 8.7 µm (FWHM)로

측정되었다. 2차 조화 를 발생을 한 측정은 ECL(Exteranl Cavity Laser)의 출력과 장을 컴퓨터로 제어하었고, 이때

샘 에 입사되는 빔의 편 은 LN의 2차 비선형 계수 d33의

효과를 극 화하기 해 TM 편 으로 고정되었다. 발생된 2차 조화 는 10배의 물 즈와 실리콘 detector를 이용하여

측정하 다. 그림 11(b)는 ECL의 장을 변화시켜, 측정한 2차 조화 곡선이다. 2차 조화 의 반치폭(FWHM)은 약

0.25 nm 고, 이와 같은 좁은 역폭은 2차 조화 가 PPLN 도 로 길이 체에서 발생하 다는 것을 나타낸다. 실험에

사용된 PPLN 소자의 분극 주기는 16.6 µm로 벌크 상태에서

1460 nm에서 2차 조화 가 발생함을 확인하 다. 이 로

제작된 도 로 소자에서는 그림 12에서 볼 수 있는 바와 같

이 1560 nm 에서 2차 조화 가 발생하 고, 결과 으로

물리학과 첨단기술 June 2007 33

(a)

(b)

그림 13. (a) 백색광원을 입사하여 출력된 광원의 크기 분포도, (b) 파

장변화에 따른 1차 회절광원의 중심 위치 변화.참고문헌

[1] K. H. Leong, A. A. Said, R. L. Maynard, IEEE Electronic Com-

ponents and Technology Conference (2001).

[2] Ming Xia, Yiliu Tu, IEEE Internation Conference on MEMS, NANO

and Smart Systems (2005).

[3] Miura, J. Qiu, H. Inouye, T. Mitsuyu, and K. Hirao, Appl. Phys.

Lett. 71, 3329 (1997).

[4] M. Li, M. Ishizuka, X. Liu, Y. Sugimoto, N. Ikeda, and K. Asakawa,

Opt. Commun. 212, 159 (2002).

[5] D. Grobnic, C. W. Smelser, S. J. Mihilov, R. B. Walker, and P.

Lu, IEEE Photon. Technol. Lett. 16, 1864 (2004).

[6] C. Florea and K. A. Winick, J. Lightwave Technol. 21, 246 (2003).

[7] J. Liu, Z. Zhang, C. Flueraru, X. Liu, S. Chang, and C. P. Grover,

IEEE J. Selected Topics in Quantum Electronics. 10, 169 (2004).

[8] Ik-Bu Sohn, Man-Seop Lee, Jeong-Yong Chung, IEEE Photonic

Technol. Lett. 17, 2349 (2005).

[9] Y.-R. Lee, N. E. Yu, C. Jung, B.-A. Yu, D.-K. Ko, Ik-Bu Sohn,

J.-M. Lee, Applied Physics Lett. 89, 171103 (2006).

[10] Woojin Shin, Ik-Bu Sohn, Bong-Ahn Yu, Yeung Lak Lee, Young-

Chul Noh, Jongmin Lee, Do-kyeong Ko, IEEE Photonics Technol.

Lett. 19, 550 (2007).

[11] Jinhyong Lim and Myeongkyu Lee, Eunkyoung Kim, Appl. Phys.

Lett. 86, 191105 (2005).

[12] S. Juodkazis, A. V. Rode, E. G. Gamaly, S., Matsuo, H. Misawa,

Appl. Phys. B 77, 361 (2003).

[13] Kyung-Han Hong, Sergei Kostritsa, Tae Jun Yu, Jae Hee Sung, Il

Woo Choi, Young-Chul Noh, Do-Kyeong Ko, and Jongmin Lee,

Optics Express 14, 970 (2006).

100 nm 정도의 2차 조화 발생을 한 QPM 장 이동이

있음을 확인하 다. 이와 같은 QPM 장 변화는 이 빔

에 의해 유도된 굴 율 변화에 기인한 것으로 상된다. 한

이 가공 속도를 변화시켰을 때, 2차 조화 심 장이

변화함을 확인하 다 (1560 nm - 1564 nm).펨토 이 를 이용한 다른 소자 응용으로는, 펨토

이 를 이용한 회 격자를 섬유 단면에 제작하여

섬유 끝단에서 출력되는 빔의 정형에 한 실험을 하 다.[10] 그림 12에서는 장이 785 nm, 펄스폭이 184 fs, 펄스 반

복률이 1 kHz인 펨토 이 를 이용하여 섬유 단면에

주기 인 회 격자(diffraction grating)를 제작하여 소자로

응용할 수 있음을 보 다. 스 치나 메모리 등의 응용 소

자에서 신호처리에 한 필요성의 증가에 따라 다양한 형

태의 빔 정형 기술이 연구되고 있다. 단면에 제작된 회 격자

를 미경을 통하여 측정한 사진은 그림 12(b)에서 볼 수 있

다. 백색 원의 입력에 따라 출력되는 원의 회 특성을 그

림 13에 나타내었다. 제작된 소자는 1400 nm 이상의 장

에 해 1차 회 만 형성하 으며 장변화에 따라 선형 인

회 빔의 치 변화를 확인하 다. 이와 같이 펨토 이

를 이용한 회 격자 제작에 있어서 격자 구조의 최 화를 통

한 회 의 효율 장에 한 특성 향상이 이루어진다면

고집 3차원 통신 소자뿐만 아니라 섬유 기반의 회

소자에 한 다양한 응용이 이루어질 수 있다.

맺음말

에서 살펴본 바와 같이 펨토 이 를 이용한 미세

가공기술은 열손상이 거의 발생하지 않기 때문에 다양한 과

학기술 분야에서 미세 공간 구조물을 능동 으로 실 하고

응용할 수 있는 새로운 가능성을 열었다. 한, 과학기술의

발 에만 한정되지 않고 자동차산업, 통신산업, 반도체․컴

퓨터 산업, 바이오․의료산업 등 다양한 산업 분야의 응용도

속하게 모색되고 있다. 최근 고출력 펨토 이 가 지속

으로 개발되고 있고, 장기 안 성(long-term stability)이

향상되고 있는 것을 감안하면 산업 장에 용되는 것도 그

리 멀지 않을 것으로 여겨진다. 고등 기술연구소는 펨토

이 분야에서 세계 인 기술력이 집 되어 있으며, 이를

바탕으로 미세 이 가공 기술력을 확보하고 있다. 앞으

로도 공간 으로 기존의 한계를 뛰어넘는 극미세 가공기술을

연구하고, 새로운 기능을 갖는 마이크로 나노 소자 개발

연구를 추진해 나갈 정이다.