레이저 다이오드란?
레이저 다이오드(영어: laser diode)는 반도체의 재결합 발광을 이용한 빛입니다.
재결합 발광은 전자가 빠져나간 구멍(정공)과 전자가 접합부에서 만나 서로가 가지고 있던 여분의 에너지가 빛이 되어 발광하는 것을 말합니다.
레이저 다이오드의 빛은 단일 파장으로 위상이 정렬된 레이저 빛으로, 반도체 레이저라고도 하며 LD라고 표기합니다. 반도체 레이저 빛의 색은 반도체의 구성 원소에 따라 결정됩니다. 예를 들어, InGaN은 자외선부터 녹색 (380~540nm), AlGaInP는 적색 (620~700nm), InGaAsP는 적외선이 됩니다. InGaN은 ‘GaN’, AlGaInP는 ‘GaAs’, InGaAsP는 ‘InP’로 표기 됩니다.
LED는 반도체 레이저와 마찬가지로 빛을 내지만, 반도체 레이저에 비해 빛의 위상과 파장의 폭에 차이가 있습니다. 즉, 반도체 레이저는 LED (발광 다이오드) 와 달리 ‘유도방출’이라는 원리에 따라 빛을 내기 때문에 위상이 정돈된 강한 빛을 발사할 수 있습니다.
레이저 다이오드의 사용 용도
레이저 다이오드는 가전제품에서 널리 사용되고 있습니다. 그 이유는 크기가 작고 대량 생산이 가능해 제조비용을 낮게 책정할 수 있기 때문입니다.
정보기기에서는 CD나 DVD, BD 등 광학 드라이브의 광픽업, 복사기나 레이저 프린터, 광섬유를 이용한 통신기기 등에 활용됩니다. 또한 고출력인 경우 레이저 마커, 레이저 가공기 등에도 이용되고 있습니다.
그 외에도 레이저 광이 잘 퍼지지 않고 먼 거리까지 도달하는 특성을 이용하여 측량 장비나 사물을 가리키는 레이저 포인터로도 활용되고 있으며, 저출력 적색 반도체 레이저 소자의 소형화, 저가격화와 함께 크게 보급되었습니다.
레이저 다이오드의 원리
레이저 다이오드는 전압을 가하면 정공(전자가 빠져나간 구멍)과 전자가 재결합하여 빛이 방출됩니다.
이때 방출된 광자가 방아쇠가 되어 또 다른 전자가 정공과 차례로 재결합하여 광자를 방출하기 때문에 발생된 빛은 같은 위상, 같은 파장의 빛이 됩니다. 빛의 파장이 항상 일정하기 때문에 바코드 판독기, 레이저 포인터, 광섬유 통신 등 일정한 광량을 필요로 하는 곳에 사용됩니다.
레이저 다이오드 기타 정보
1. 레이저 다이오드 사양
레이저 다이오드의 사양을 이해하기 위해서는 L/I 곡선을 이용합니다. 이 곡선을 통해 출력되는 광량에 대해 공급되는 구동 전류를 기록할 수 있게 됩니다.
이 곡선은 레이저의 동작점(정격 발광 출력에서의 구동 전류) 및 임계 전류(레이저의 발진 시작 전류)를 결정하는 데 사용되며, 특정 전류에서 높은 출력을 얻기 위해 필요한 전류를 결정하는 데에도 사용됩니다.
이 곡선을 보면 광 출력이 온도에 크게 의존하며, 온도가 상승하면 레이저 특성도 감소한다는 것을 알 수 있습니다. 따라서 L/I 곡선을 도입하여 레이저 다이오드의 효율을 시각화하고 추정할 수 있게 되었습니다.
2. 레이저 다이오드와 발광 다이오드의 차이점
발광 다이오드는 빛의 위상이 맞지 않아 방사형으로 확산되는 것이 특징입니다. 반면 레이저 다이오드는 위상이 정렬되어 직선적인 광선이 됩니다.
발광 다이오드에서는 발광층의 면적이 넓기 때문에 코어계의 작은 파이버에 입사하기 어려운 특징이 있습니다. 반면, 레이저 다이오드는 발광층이 좁지만 코어계의 작은 광섬유에 입사하기 쉽다는 특징을 가지고 있습니다.
레이저 다이오드에서는 전압 인가 시 정공과 전자가 재결합하여 방출된 광자가 방아쇠를 당기고, 또 다른 전자가 정공과 차례로 재결합하여 광자를 방출(유도방출)합니다. 따라서 발생한 빛은 같은 위상, 같은 파장의 빛이 됩니다. 이에 반해 발광 다이오드에서 발생하는 빛은 위상과 파장이 다양한 빛이 됩니다.
3. 레이저 다이오드의 수명
레이저 다이오드의 평균 수명은 작동 환경(작동 온도, 정전기, 전원 서지)에 따라 다르며, 일반적으로 10,000시간으로 알려져 있습니다. 이 부분에서는 평균 수명에 영향을 미치는 작동 환경 요인 중 작동 온도에 대해 설명합니다.
먼저 작동 온도의 영향은 작동 온도가 10℃ 상승하면 수명이 절반으로 감소한다고 알려져 있으며, 최대 작동 온도 이상으로 상승이 지속될 경우 레이저 다이오드가 손상되거나 장기적인 성능이 저하될 가능성이 커지는 것으로 알려져 있습니다. 따라서 발열로 인한 영향을 최대한 피하기 위해 제품 내부의 열을 외부로 배출할 목적으로 방열판을 사용하는 것이 좋습니다.