LED보다 더 밝고 에너지 효율적인 세계 최초 '백색 레이저(white laser)' Researchers demonstrate the world's first white lasers

This schematic illustrates the novel nanosheet with three parallel segments created by 

the researchers, each supporting laser action in one of three elementary colors. 

The device is capable of lasing in any visible color, completely tunable from red, green 

to blue, or any color in between. When the total field is collected, a white color emerges. 

Credit: ASU/Nature Nanotechnology

그림 1> 연구팀이 개발한 독특한 나노시트로, 세 가지 기본색상을 각각 발생시키는 부분으로 

나뉘어져 있다. 이 기기는 어떤 색상도 구현할 수 있으며, 모든 색상이 합해지면 백색광을 발생

시키게 된다.

This photo collage, supplied by the researchers, shows the mixed emission 

color from a multi-segment nanosheet in the colors of red, green, blue, 

yellow, cyan, magenta and white. The top dots in each photograph are the 

direct image of laser emission, while the tails under these dots are the reflection 

from the substrate. Credit: ASU/Nature Nanotechnology

그림 2> 본 사진들은 다양한 부분의 나노시트로부터 발생된 각각의 색상과 혼합된 색상을 

보여주고 있다. 

LED보다 더 밝고 에너지 효율적인 백색 레이저(white laser)가, 미래의 조명 및 광 기반의 무선통신을 담당하게 될 것으로 기대된다. 레이저는 1960년에 개발되었고 많은 분야에서 활용되고 있지만, 이 기술 중 한 가지는 불가능한 것으로 밝혀졌었다. 그 누구도 백색광을 갖는 레이저 빔을 만들지 못했다.

애리조나 주립대학(Arizona State University)의 연구팀은 이 문제를 해결하는데 성공하였다. 연구팀은 반도체 레이저가 백색 레이저를 방출하는데 필수적인 가시광선 전체 스펙트럼을 방출할 수 있음을 증명하였다.

연구팀은 독특한 나노시트(nanosheet)를 개발하였는데, 세 개의 평행한 부위(segment)를 가지고 있으며 각각은 세 가지 기본 색상 중 하나를 발산하는 역할을 한다. 이 기기는 어떤 가시광선 색상도 구현할 수 있으며, 적색, 녹색에서 청색으로의 변환을 완벽히 할 수 있으며 다른 어떤 색상도 구현해 낼 수가 있다. 모든 영역이 통합되면 백색광으로 표현된다.

연구팀은 본 연구결과를 Nature Nanotechnology지 7월 27일자로 온라인으로 게재("A monolithic white laser")되었으며, 전기, 컴퓨터 및 에너지공학과 교수인 Cun-Zheng Ning이 주저자이다. 그의 박사과정 학생인 Fan Fan, Sunay Turkdogan, Zhicheng Liu 및 David Shelhammer가 연구에 함께 참여하였다. Turkdogan와 Liu는 본 연구 후에 박사학위를 취득하였다.

기술적 진보는 레이저를 주요한 광원(light source)로의 활용 가능성을 높여주고 있으며, 발광 다이오드(LED)를 잠재적으로 대체할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 레이저는 더 밝고 에너지 효율적이며, 컴퓨터 스크린 및 텔레비전과 같은 디스플레이에서 더 선명하고 세밀한 색상을 표현할 수 있다. 연구팀은 이미 그들의 기기가, 현재의 디스플레이 산업 표준보다 70%정도 더 많은 색상을 표현할 수 있음을 보여준 바 있다.

다른 중요한 분야로, 미래 가시광선 통신으로 실내 조명 시스템이 조명 및 통신에 활용할 수 있음을 의미한다. 개발되고 있는 이 기술은 Li-Fi라고 불리며, 라디오파를 사용하는 Wi-Fi에 비해 광 기반의 무선통신을 나타낸다. Li-Fi는 현재의 Wi-Fi보다 10배 이상 빠르며, 백색광 Li-Fi는 현재 개발되고 있는 LED 기반의 Li-Fi보다 10∼100배 정도 더 빠르다.

백색 레이저에 대한 콘셉트가 처음에 반직관적이었던 이유는, 기존의 레이저에서 발생되는 빛은 다양한 범위의 파장을 가지지 않고 정확히 하나의 색상, 즉 전자기 스펙트럼의 특정한 파장만을 가지고 있기 때문이었다. 백색광은 보통 모든 가시광선 스펙트럼의 파장이 완벽히 혼합될 때 관찰된다. 

기존의 LED 기반의 조명에서, 청색 LED는 청색광의 일부를 녹색, 황색 및 적색으로 변환시키기 위해 인광체(phosphor) 물질로 코팅되어 있다. 색깔을 갖는 빛의 이런 혼합은 인간에게 백색으로 인지되기 때문에 일반적인 조명에 사용될 수 있다.

2011년 샌디아 국립연구소에서는 4가지 다른 레이저로부터 고품질의 백색광을 만들어 낸 바 있다. 과학자들은 인간의 눈이 다이오드 레이저에서 발생시킨 백색광에 대해 편안함을 느낀다는 사실을 보여주었다. 비록 개념증명 성격의 연구가 인상적이었지만, 이런 독립적인 레이저는 실내조명이나 디스플레이에 적용할 수 없다. 모든 색상 혹은 백색의 레이저 광을 발생시킬 수 있는 하나의 반도체 재료가 필요하다고 Ning은 강조하였다.

고체 화학성분 혹은 화합물이 결정 내에 배열된 반도체는 컴퓨터 칩 혹은 통신 시스템에서의 광 발산을 위해 널리 사용되고 있다. 이 반도체는 흥미로는 광학적 성질을 가지고 있으며, 전압이 인가되었을 때 특정한 색상을 발산하기 때문에 레이저 및 LED를 제조하는데 사용되고 있다. 가장 선호되는 반도체용 발광 재료는 인듐 갈륨 질화물(indium gallium nitride)이며, 카드뮴 설파이드(cadmium sulfide) 및 카드뮴 셀레나이드(cadmium selenide)와 같은 물질도 색상을 발산하는데 사용되고 있다.

핵심은 발광 반도체 물질을 서로 다른 색상의 빛을 발산하도록 성장시키고 작동시키는 문제이다. 일반적으로 하나의 반도체는 단일 색상을 발산하는데, 이것은 독특한 원자구조 및 에너지 밴드갭에 의해 결정되기 때문이다.

격자상수(lattice constant)는 원자간 거리를 나타낸다. 가시광선 스펙트럼의 모든 가능한 파장을 생성하기 위해서는 매우 다른 격자상수 및 에너지 밴드갭을 가지는 여러 개의 반도체가 필요할 것이다. 연구팀의 목표는 세 가지 기본적인 색상을 구현할 수 있는 하나의 반도체를 제작하는 것이다. 이 반도체는 충분히 작아서, 세가지 각각의 색상이 아닌 혼합된 하나의 색상만을 인지할 수 있어야 한다.

가장 어려운 점은 격자 불일치(lattice mismatch)라고 불리는 문제로, 필요한 재료들 간의 격자상수의 차이가 너무 커진다는 점이다. 연구팀은 기존의 기술을 사용할 경우, 격자상수의 차이가 너무 크면 충분히 좋은 품질의 서로 다른 반도체 결정을 동시에 성장시킬 수 없었다.

가장 바람직한 해법은 필요한 모든 색상을 발산할 수 있는 단일 반도체 구조를 만드는 것이라고 Ning은 밝혔다. 연구팀은 이를 위해 나노기술을 활용하기로 결정하였다. 핵심은 벌크 물질에서의 전통적인 성장기술에서보다 나노미터 크기에서는 큰 불일치가 수용된다는 점이다. 즉, 격자상수의 차이가 클지라도 고품질의 결정을 성장시킬 수 있다는 의미이다.

이런 독특한 가능성을 일찍이 알아차린 연구팀은, 나노와이어 혹은 나노시트와 같은 나노물질의 성질에 대해 10년 전부터 연구해 오고 있다. 6년 전, 미군연구소(U.S. Army Research Office)의 지원 하에 연구팀은 넓은 에너지 밴드갭을 갖는 나노와이어를 성장시켜 적색에서 녹색으로 변환시킬 수 있음을 보여준 바 있다. 이후 연구팀은 단일 반도체 나노시트 혹은 나노와이어에서 적색 및 녹색 레이저를 동시에 발생시킬 수 있음을 발견하였다. 이런 성과는 연구팀으로 하여금 단일 백색 레이저의 가능성을 탐구해 보도록 하는 시발점이 되었다.

백색을 구현하기 위해 필요한 청색은, 넓은 에너지 밴드갭 및 매우 다른 물질의 특성으로 인해 더 많은 난관에 직면하도록 하였다. 연구팀은 거의 2년 동안 나노시트 형태에서 청색 발광 소재를 성장시키기 위해 노력하였다고 현재 터키에서 조교수(University of Yalova)로 재직하는 Turkdogan은 밝혔다.

마침내 연구팀은 필요한 형태를 우선 제작한 후에 재료를 적절히 사용하여 청색광을 구현할 수 있도록 전략을 수정하였다. 구조적 형태와 조성을 분리시키는 이러한 전략은 전략의 주요한 변화를 의미했으며, 백색광 실현을 위한 서로 다른 반도체 세 부위를 포함하는 하나의 구조를 성장시킬 수 있도록 한 중요한 돌파구가 되었다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑 

Researchers demonstrate the world's first white lasers

More luminous and energy efficient than LEDs, white lasers look to be the future in lighting and light-based wireless communication.

While lasers were invented in 1960 and are commonly used in many applications, one characteristic of the technology has proven unattainable. No one has been able to create a laser that beams white light.

Researchers at Arizona State University have solved the puzzle. They have proven that semiconductor lasers are capable of emitting over the full visible color spectrum, which is necessary to produce a white laser.

The researchers have created a novel nanosheet – a thin layer of semiconductor that measures roughly one-fifth of the thickness of human hair in size with a thickness that is roughly one-thousandth of the thickness of human hair – with three parallel segments, each supporting laser action in one of three elementary colors. The device is capable of lasing in any visible color, completely tunable from red, green to blue, or any color in between. When the total field is collected, a white color emerges.

The researchers, engineers in ASU's Ira A. Fulton Schools of Engineering, published their findings in the July 27 advance online publication of the journal Nature Nanotechnology. Cun-Zheng Ning, professor in the School of Electrical, Computer and Energy Engineering, authored the paper, "A monolithic white laser," with his doctoral students Fan Fan, Sunay Turkdogan, Zhicheng Liu and David Shelhammer. Turkdogan and Liu completed their doctorates after this research.

The technological advance puts lasers one step closer to being a mainstream light source and potential replacement or alternative to light emitting diodes (LEDs). Lasers are brighter, more energy efficient, and can potentially provide more accurate and vivid colors for displays like computer screens and televisions. Ning's group has already shown that their structures could cover as much as 70 percent more colors than the current display industry standard.

Another important application could be in the future of visible light communication in which the same room lighting systems could be used for both illumination and communication. The technology under development is called Li-Fi for light-based wireless communication, as opposed to the more prevailing Wi-Fi using radio waves. Li-Fi could be more than 10 times faster than current Wi-Fi, and white laser Li-Fi could be 10 to 100 times faster than LED based Li-Fi currently still under development.

"The concept of white lasers first seems counterintuitive because the light from a typical laser contains exactly one color, a specific wavelength of the electromagnetic spectrum, rather than a broad-range of different wavelengths. White light is typically viewed as a complete mixture of all of the wavelengths of the visible spectrum," said Ning, who also spent extended time at Tsinghua University in China during several years of the research.

In typical LED-based lighting, a blue LED is coated with phosphor materials to convert a portion of the blue light to green, yellow and red light. This mixture of colored light will be perceived by humans as white light and can therefore be used for general illumination.

Sandia National Labs in 2011 produced high-quality white light from four separate large lasers. The researchers showed that the human eye is as comfortable with white light generated by diode lasers as with that produced by LEDs, inspiring others to advance the technology.

"While this pioneering proof-of-concept demonstration is impressive, those independent lasers cannot be used for room lighting or in displays," Ning said. "A single tiny piece of semiconductor material emitting laser light in all colors or in white is desired."

Semiconductors, usually a solid chemical element or compound arranged into crystals, are widely used for computer chips or for light generation in telecommunication systems. They have interesting optical properties and are used to make lasers and LEDs because they can emit light of a specific color when a voltage is applied to them. The most preferred light emitting material for semiconductors is indium gallium nitride, though other materials such as cadmium sulfide and cadmium selenide also are used for emitting visible colors.

The main challenge, the researchers noted, lies in the way light emitting semiconductor materials are grown and how they work to emit light of different colors. Typically a given semiconductor emits light of a single color – blue, green or red – that is determined by a unique atomic structure and energy bandgap.

The "lattice constant" represents the distance between the atoms. To produce all possible wavelengths in the visible spectral range you need several semiconductors of very different lattice constants and energy bandgaps.

"Our goal is to achieve a single semiconductor piece capable of laser operation in the three fundamental lasing colors. The piece should be small enough, so that people can perceive only one overall mixed color, instead of three individual colors," said Fan. "But it was not easy."

"The key obstacle is an issue called lattice mismatch, or the lattice constant being too different for the various materials required," Liu said. "We have not been able to grow different semiconductor crystals together in high enough quality, using traditional techniques, if their lattice constants are too different."

The most desired solution, according to Ning, would be to have a single semiconductor structure that emits all needed colors. He and his graduate students turned to nanotechnology to achieve their milestone.

The key is that at nanometer scale larger mismatches can be better tolerated than in traditional growth techniques for bulk materials. High quality crystals can be grown even with large mismatch of different lattice constants.

Recognizing this unique possibility early on, Ning's group started pursuing the distinctive properties of nanomaterials, such as nanowires or nanosheets, more than 10 years ago. He and his students have been researching various nanomaterials to see how far they could push the limit of advantages of nanomaterials to explore the high crystal quality growth of very dissimilar materials.

Six years ago, under U.S. Army Research Office funding, they demonstrated that one could indeed grow nanowire materials in a wide range of energy bandgaps so that color tunable lasing from red to green can be achieved on a single substrate of about one centimeter long. Later on they realized simultaneous laser operation in green and red from a single semiconductor nanosheet or nanowires. These achievements triggered Ning's thought to push the envelope further to see if a single white laser is ever possible.

Blue, necessary to produce white, proved to be a greater challenge with its wide energy bandgap and very different material properties.

"We have struggled for almost two years to grow blue emitting materials in nanosheet form, which is required to demonstrate eventual white lasers, " said Turkdogan, who is now assistant professor at University of Yalova in Turkey.

After exhaustive research, the group finally came up with a strategy to create the required shape first, and then convert the materials into the right alloy contents to emit the blue color. Turkdogan said, "To the best of our knowledge, our unique growth strategy is the first demonstration of an interesting growth process called dual ion exchange process that enabled the needed structure."

This strategy of decoupling structural shapes and composition represents a major change of strategy and an important breakthrough that finally made it possible to grow a single piece of structure containing three segments of different semiconductors emitting all needed colors and the white lasers possible. Turkdogan said that, "this is not the case, typically, in the material growth where shapes and compositions are achieved simultaneously."

While this first proof of concept is important, significant obstacles remain to make such white lasers applicable for real-life lighting or display applications. One of crucial next steps is to achieve the similar white lasers under the drive of a battery. For the present demonstration, the researchers had to use a laser light to pump electrons to emit light. This experimental effort demonstrates the key first material requirement and will lay the groundwork for the eventual white lasers under electrical operation.

Read more at: http://phys.org/news/2015-07-world-white-lasers.html#jCp

edited by kcontents 

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