KR101207945B1 - 탄소나노튜브-세라믹 복합체를 제조하는 방법 및 이에 의한 광학적 비선형 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예는 단일벽 탄소나노튜브 (SWNT)를 이용하여 펨토초의 초고속 펄스 레이저를 제조하는데 있어서, SWNT가 안정적으로 동작하며, 열적으로도 내성을 갖게 되어 고출력 레이저 작동이 가능해지는 방법을 제공한다. 상기 레이저 펄스는 포화 흡수체 (saturable absorber)에 의한 모드 잠김 (mode-locking) 현상에 의해 형성되며, 상기 포화 흡수체는 실리카 호스트 내에 분산된 SWNT의 광학적 비선형 현상을 기초로 하고, 상기 포화 흡수체의 제조는 상온에서 동작하는 에어로졸 증착 (aerosol deposition; AD)법에 의한다. 상기 실리카-SWNT 복합체를 제조하는 AD법은, 볼 밀링(ball miling)을 이용하여 실리카 분말과 SWNT의 혼합물을 준비하는 단계와; 상기 실리카 분말과 SWNT의 혼합물을 출발 파우더로서, 상온에서 노즐을 통해 광섬유 페룰의 끝면에 반복적으로 분사하는 단계와; 상기 페룰의 끝면에 일정한 두께의 필름 형태로 코팅되도록 상기 반복 횟수 및 상기 왕복 운동의 속도를 조절하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 필름의 두께는 상기 혼합물의 밀도와 분사시간과 분사위치의 이동속도에 의해서 조절될 수 있다. 상기 AD법은 용매가 필요 없는 건식 방법으로 진행 되므로, 세라믹, 금속, 폴리머 등 임의의 성분을 첨가하여 생성되는 필름의 성분은 조절할 수 있다.

Description

탄소나노튜브-세라믹 복합체를 제조하는 방법 및 이에 의한 광학적 비선형 소자{Method For Manufacturing SWNT-Ceramics Composite, and Its Application to Optically Nonlinear Devices}

본 발명은 단일벽 탄소나노튜브를 세라믹 호스트에 분산시켜 제작된 비선형 광학 소자와 이를 이용한 펄스 레이저에 관한 것이다.

펄스 레이저는 연속파 레이저에 대비하여 펄스 모양의 출력을 얻을 수 있는 레이저를 일컫는다.

펄스 레이저 중에서도 초고속 펄스 레이저의 개발은, 현재 대용량 광신호 처리, 초고속 센싱, 미세 가공, 비파괴 검사 등 많은 분야에 크게 기여해 왔다.

펄스 레이저에서 짧은 펄스폭과 높은 반복률 (repetition rate)을 가지는 펄스열을 생성하기 위해서는 레이저 공진기 내의 on/off를 담당하는 기계적 스위치의 삽입으로는 불가능 하며, 이를 달성하기 위해 모드 잠김 (mode-locking) 기술이 개발 되었다.

모드 잠김 기술은 크게 능동형 모드 잠김과 수동형 모드 잠김 방법으로 나누어진다.

상기 능동형 모드 잠김 방법에는 레이저 내에 변조기를 두어 외부 변조 신호와 동일한 주파수로 변조하는 강제 모드 잠김과, 레이저 매질의 비선형으로 인하여 자발적으로 생기는 자기 모드 잠김이 있고, 수동형 모드 잠김 방법에서는 포화성 흡수체 (Saturable Absorber, SA)를 사용하는 것이 일반적이다.

수동형 모드 잠김에서는, 서로 다른 주기를 갖는 여러 모드의 상 (phase)이 서로 동시에 맞게 (즉, 잠기게) 되어, 특정한 부분에서 보강간섭을 일으켜 큰 펄스를 만들게 되고, 어느 정도 진행 후에는 서로 상이 어긋나게 되어 상쇄간섭으로 인해 펄스가 급격히 약해지며, 어느 특정 거리의 진행 후에서는 다시 여러 모드의 상이 동시에 맞게 되어 다시 펄스를 이루는 메카니즘을 띠게 된다.

상기 수동형 모드 잠김 방법 중의 대표적인 방법 중의 하나가 바로 포화 흡수체 (saturable absorber, SA)를 사용하는 방법인데, 이 포화 흡수체는 여러 모드 들의 시작점을 서로 맞춰주는 역할을 하게 되어, 이 점을 기준으로 모드들의 상이 서로 맞기 시작하면서 극초단 펄스를 생성하는 방법이다.

이와 같이 상기 모드 잠김 기술은 능동형 모드 잠김과 수동형 모드 잠김 방법으로 각각 발전되어 오다가 최근 들어 반도체와 나노 물질을 이용한 수동형 모드 잠김 기술이 발전되면서 작은 사이즈와 월등한 광학적 비선형성, 그리고 효율적인 경제성 등을 잇점을 기반으로 많은 각광을 받고 있다.

한편, 상기 반도체를 이용한 방법에는 반도체 박막 (semiconductor saturable absorber mirror; SESAM)을 이용한 방법이었으나, 복잡하고 경제성이 떨어지는 반도체 공정을 사용해야 하는 점과, 그 이외에도 열적으로 취약하고 광섬유와의 호환성에 있어서도 많은 문제점을 갖게 된다.

따라서, 펄스 레이저의 개발에 새로운 나노 물질을 도입하여, 펄스 형성의 효과와 집적도를 높이려는 시도가 탄소나노튜브를 통해 이루어져 왔다.

구체적으로, 탄소나노물질이 갖고 있는 광학적 비선형 포화흡수 특성을 이용하여, 레이저 공진기 내에서 모드 잠금을 유도하고 이에 따라 수동적으로 고품질의 펄스를 형성하는 연구는 최근 급격히 많이 이루어져 왔다.

특히, 탄소나노물질 중에서도 단일벽 탄소나노튜브 (SWNT)에 기반한 레이저 펄스 형성기의 연구가 많이 진행되어 왔다. 1차원의 탄소 나노 구조체가 갖는 포화 흡수 (saturable absorption)라는 주목할 만한 광학적 비선형성으로 인해, 별도의 광학 소자를 제작하지 않고, 레이저 공진기 (cavity)내에 물질을 삽입하는 것 만으로 높은 품질의 레이저 펄스를 형성할 수 있었다.

이러한 SWNT는 다른 소자에 비해 다음과 같은 월등한 장점을 지닌다. 예컨대, (i) 나노 단위의 작은 사이즈, (ii) 500 fs 이하의 초고속 회복시간 (recovery time), (iii) 간단한 샘플 제작 과정 등이 이에 속한다.

그러나 이러한 SWNT 또한 몇 가지 문제점을 갖고 있는데, (i) SWNT의 높은 비표면적으로 인해 서로 응집이 잘 되어 이로 인해 비선형성의 저하를 초래하며, (ii) 레이저와의 상호작용에서 발생되는 열에 약해 고출력 레이저 적용에 한계가 있고, (iii) 자체적인 기계적인 강도가 약해 내구성과 안정성이 떨어지게 되는 점 등이다.

이러한 단점의 보완을 위해 SWNT를 다양한 호스트 (host) 물질 내에 분산시키는 방법들이 연구 되어져 왔다.

SWNT의 분산 (dispersion)은 나노 구조체 개개의 형상을 이웃하는 나노 구조체와의 응집 등에 의해 변형되어지지 않고 보존한다는 점에서 높은 광학적 비선형성을 위한 필수 조건이며, 이런 분산도가 높을수록 원하는 광학적 비선형성은 높아지게 된다.

기본적으로 SWNT를 광섬유와 동일한 재료인 유리 내에 분산하여 독립적인 SWNT의 단점을 보완하고 광섬유와 호환성을 높이는 방향이 가장 효과적이나, 유리 내 나노물질의 분산을 위해서는 고온 공정이 불가피 하고, 이 과정에서 SWNT가 연소하게 되는 문제가 발생하게 되었다.

따라서, 우회적인 방법으로 폴리머 물질에 SWNT를 분산하는 방법, 소프트 글라스 (soft glass)에 분산하는 방법 등이 연구 되어 졌으나, 고출력 펄스 레이저 동작 중의 열적 손상으로부터 SWNT의 보호라는 측면과 실리카 광섬유와의 호환성이라는 측면에서 문제점은 그대로 남아 있게 된다.

한편, 상온에서 실리카 호스트에 SWNT를 분산하는 방법이 졸-겔 (sol-gel) 방법을 통해 연구 되었으나, 이 방법에서는 액상 공정 사용에서 발생되는 제한된 나노튜브의 용해도 (solubility), 긴 공정 시간 등이 여전히 문제로 남게 된다.

따라서, 본 발명은 전술한 문제점들을 해결하는 것을 목적으로 한다. 구체적으로, 본 발명은 상온에서 SWNT를 세라믹 호스트, 특히 유리 내에 분산시킴으로써, 비선형 광학 소자를 제조할 수 있도록 하고, 이를 이용하여 펄스 레이저를 제작할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 기존 연구된 호스트 물질인 폴리머나 소프트 글라스에 비해 많은 장점을 가진 실리카에 SWNT를 분산함으로써, 상온에서 SWNT의 열손상이 없도록 할 뿐만 아니라, 건식방법에 의해 용해도 제한을 받지 않으면서, 빠른 공정속도에 의해 소자를 제작하고, 이 과정에서 SWNT의 고품질의 광학적 비선형성을 유지할 수 있도록 한다.

구체적으로, 전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 SWNT-실리카 복합체와 이를 이용하여 수동형 펄스 레이저의 핵심인 포화 흡수체를 에어로졸 증착 (aerosol deposition; AD)방법을 통해 제조하는 방법을 제공한다. 상기 포화 흡수체의 제조 방법은 볼 밀링 (ball miling)을 이용하여 실리카 분말과 SWNT의 혼합물을 준비하는 단계와; 상기 실리카 분말과 SWNT의 혼합물을 출말 파우더로서 노즐을 통해 광섬유 페룰의 끝면에 반복적으로 분사하는 단계와; 상기 페룰의 끝면에 균일하게 분사되도록, 상기 광섬유 페룰을 왕복 운동시키는 단계와; 혼합물이 상기 페룰의 끝면에 일정한 두께의 필름 형태로 코팅되도록 상기 반복 횟수 및 상기 왕복 운동의 속도를 조절하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 필름의 두께는 상기 혼합물의 밀도와 기판의 운동 속도에 의해서 조절될 수 있다.

상기 분사는 상온에서 수행되고, 상기 상온에서 상기 혼합물이 분사되는 운동 에너지에 의해 상기 광섬유 페룰의 끝면에 필름 형태로 코팅될 수 있다.

한편, 전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시 예는 SWNT-실리카 복합체를 이용한 펄스 레이저를 제공한다. 상기 펄스 레이저의 공진기 내에는, 진행하는 레이저의 편광을 조절하는 편광조절기 (polarization controller)와; 레이저 진행의 방향성을 제시해주는 고립기 (isolator), 공진기 내에 광학적 이득을 제공해 주는 매체인 에르븀 (erbium)이 도핑된 광섬유증폭기 (erbium-doped fiber amplifier; EDFA), 레이저의 일정 출력을 나누어 출력단을 형성해주는 광 커플러 (coupler), 그리고 상기 소자들을 연결해주며 색분산 (chromatic dispersion)을 조절하기 위한 단일 모드 광섬유 (single mode fiber; SMF)를 포함한다. 여기서 상기 광섬유의 페룰 끝면에는 실리카와 SWNT의 복합 필름이 코팅되어 있고, 상기 복합 필름은 광학적 비선형 소자인 포화 흡수체로 작용을 하여, 레이저의 모드 잠김을 유도하고 이로써 펄스 레이저를 출력한다.

상기 상호 작용은 상기 레이저가 상기 복합 필름의 층을 투과하면서 상기 복합 필름의 비선형 효과가 상기 레이저의 피크 파워 (peak power)에 의존되도록 하는 직접투과방식 (direct penetration scheme)을 이용하는 것일 수 있다. 또는, 상기 상호 작용은 상기 레이저의 대부분은 상기 복합 필름층 투과를 피해서 광섬유 코어내로 진행되고, 상기 레이저의 나머지 일부는 소실장 (evanescent field)의 형태로 상기 복합 필름과 작용하게 되어 포화흡수에 의해 동일한 펄스를 생성하게 되는 방식을 이용하는 것일 수 있다.

상기 복합 필름은 에어로졸 분산 (aerosol deposition) 과정을 통해서 상기 페룰의 끝면에 코팅될 수 있다.

본 발명은 기존 연구된 호스트 물질인 폴리머나 소프트 글라스에 비해 많은 장점을 가진 실리카에 SWNT를 분산함으로써, SWNT의 열손상이 없도록 할 뿐만 아니라, 건식방법을 기반으로 하여 용해도에 제한받지 않으면서, 빠른 공정속도에 의해 소자를 제작할 수 있도록 한다.

또한, 본 발명은 실리카에 SWNT를 분산함으로써, 균일하게 분산된 SWNT 복합체를 얻을 수 있게 하며, 이로 인해 보다 안정적으로 동작하고, 빠른 열배출로 인해 SWNT의 손상을 막아 고출력 작동이 가능한 광섬유 레이저 제작을 가능하게 한다.

도 1은 실리카에 분산된 SWNT에 의해 생성되는 초고속 레이저 펄스의 개략도이다.
도 2는 광섬유 페룰의 끝단에 형성된 SWNT-실리카 복합체의 사진과, 전자현미경 사진을 나타낸다.
도 3은 SWNT-실리카 복합체 막에 대한 라만 스펙트럼 분석 결과와 복합체의 투과 특성에 대한 평가 결과를 나타낸다.
도 4는 복합체 막을 이용하여 광섬유 링 레이저를 구성한 예를 나타낸다.
도 5는 도 4에 도시된 광섬유 링 레이저에 대해, 광 스펙트럼 분석기 (optical spectrum analyzer: OSA)로 측정된 광학 스펙트럼을 나타낸다.
도 6은 도 4에 도시된 광섬유 링 레이저에 대한 오실로스코프 측정 결과와 실제 펄스의 폭을 알 수 있는 자동상관기 (autocorrelator) 측정 결과를 나타낸다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.

이하, 도면을 참조하여 설명하기 앞서, 본 발명의 개념에 대해서 잠시 설명하기로 한다.

초고속 광자 동작에 따라 매우 높은 광학적 비선형성을 갖는 SWNT는 다양한 차세대 비선형 광자 장치 및 시스템을 가능하게 할 수 있다.

특히, SWNT 기반 광섬유 모드 잠김 레이저가 적극적으로 연구되었으며, 펨토(femto) 초(second) 레이저 펄스를 성공적으로 형성할 수 있다는 놀라운 결과를 내었다.

지금까지 시연된 펄스 방식은 (i) 자유공간에 위치된 SWNT 층(layer)들을 관통하여 진행하는 빛과 SWNT들이 직접적으로 상호작용하는 방식과, (ii)폴리머 호스트내에 분산된 SWNT와 진행하는 빛이 상호작용하는 것, (iii) 소실장 (evanescent field)과 SWNT의 논-블러킹 (non-blocking) 상호작용을 포함한다.

매우 최근에는, 상기 방식 (iii)은 진행하는 빛의 일부와 상호작용하는 것을 제어함으로써, 동일한 펄스 형성 과정을 유지하면서도, 낮은 ‘온도 피해 한계치’ (optical damage threshold)를 극복할 수 있는 것으로 증명되었다.

그러나, 비선형 동작은 빛의 피크 파워에 주로 의존하기 때문에, 동일한 SWNT 기반 비선형 요소의 정교한 응용을 위해서는, 직접적인 상호 작용 방식이 여전히 매우 매력적인 것으로 생각되고 있다.

직접 상호 작용을 위한 자유공간 상의 SWNT와 달리, 호스트 재료내의 SWNT는, 높은 안정성, 우수한 열배출 효과, 그리고 임의의 기판에 대한 좋은 성형성의 중요한 장점을 가지고 있으며, 다른 소자와의 좋은 호환성도 가지고 있다.

특히, 광섬유와 조화할 수 있는 점에서, 광섬유와 같은 재질인 세라믹 호스트 물질이 매우 유용하다.

예를 들어, 비선형 효과를 극대화하기 위해, SWNT가 진행하는 빛의 피크와 작용하기 위해서는 광섬유 코어 (core)내에 SWNT들이 도핑될 수 있다. 또한, 해로운 산화뿐만, 아니라 기계적인 파괴에 대해 세라믹 호스트는 SWNT에게 강력한 보호층의 효과를 제공할 수 있다.

그러나 지금까지는 불행히도, 일부 우회하는 방법만이 연구되었다. 예를 들어, 상온에서는 SWNT들이 세라믹 호스트에 용해되어 들어가지지 않기 때문에, 폴리머, 소프트 글래스 (soft glass), 그리고 솔-겔 (sol-gel) 실리카의 호스트를 사용하는 우회적인 방법들만이 연구되었다.

또한, 낮은 분산성과, 호스트 물질 내에서 SWNT들의 낮은 용해성, 낮은 신뢰성, 폴리머의 제한적인 열배출 문제, 소프트 글래스와 기존 실리카 광섬유와의 호환 문제들이 여전히 해결해야할 과제들로 남아 있다..

따라서, 본 발명은 상온에서 SWNT를 분산할 수 있는 호스트 물질로서 실리카를 이용하고, 에어로졸 증착 (AD) 과정을 이용하는 것을 주요 특징으로 한다.

중요한 것은 상기 AD 과정은 출발 물질로서 건조된 SWNT-SiO2 혼합물을 사용하기 때문에, SWNT의 용해도 및 분산은 제한되지 않는 다는 것이다.

따라서, 본 발명에서는 AD에 의해, 상온에서 실리카 분말과 SWNT를 동시에 광섬유 페룰의 끝면에 해당하는 기판을 향해 물리적인 가속을 발생시켜, 순수 운동 에너지만으로 복합체 막을 형성하는 방법을 제공하고 이에 의한 광학적 비선형 소자를 제작한다.

즉, 본 발명은 상온의 건식 방법인 AD에 의해 SWNT-실리카의 복합체 필름을 광섬유 페룰(ferrule) 끝에 도포하여, 이것을 비선형 광소자인 포화 흡수체로 사용하는 광섬유 펄스 레이저를 제공한다.

보다 구체적으로, 본 발명은 단일벽 SWNT를 실리카 분말과 혼합하여, 이들 복합 분말을 건식으로 가속하고 기판에 충돌시키는 AD 방법을 사용하여 SWNT-실리카의 복합체 막을 형성함에 있어서, 상기 막의 형성을 광섬유 페룰 끝에서 이루어 질 수 있도록 한다. 이러한 복합제가 코팅된 광섬유 페룰은 광학적 비선형 특징을 나타내며, 이러한 광섬유 페를을 이용하여 레이저 공진기를 구성하여, 펄스 레이저를 생성한다.

도 1은 실리카에 분산된 SWNT에 의해 생성되는 초고속 레이저 펄스의 개략도이다.

수동 모드 잠김에 의해서 초고속의 펄스 형성을 실현하게 하기 위해, 광 섬유 페룰의 끝단에 SiO2와 SWNT의 복합 필름이 코팅된다.

상기 광섬유 페룰의 끝단에 입혀진 복합 필름에 의해서 도 1에 도시된 바와 같이 연속파 (continuous wave; CW)가 입력되면, 초고속 펄스로 출력될 수 있다.

상기 SiO2와 SWNT의 복합 필름은 AD 프로세스에 의해서 제작될 수 있고, 상기 복합 필름 내에서 상기 SWNT의 비선형성은 그대로 유지된다.

추가적으로, 고출력 레이저 동작 환경에서, 호스트된 SWNT들의 높은 열적 내구성이 측정 되었다.

한편, 상기 AD의 동작 원리는 초미세 세라믹 입자를 기판의 표면에 충격을 가하는 충격 로드 응고 기반에 기초한다.

상기 AD 프로세스는 상온과 건조 환경에서 수행되기 때문에, 상기 AD 프로세스에 의해서 제작된 세라믹 필름은 기계적인 인성뿐만이 아니라, 레이저와 SWNT 간의 상호 작용에서 발생되는 열을 배출하는 정도가, 이론적으로 95 % 이상을 달성할 수 있고, 결과적으로 우수한 조밀성을 보장한다.

또한, 상기 AD 프로세스는 1마이크론 미만의 크기를 갖는 세라믹 입자의 “부서짐과 고형화 (solidificaiton)”에 의해서 설명될 수 있는 독특한 증착 메커니즘을 갖기 때문에, 증착율은 1 mm /min 보다 높아질 수 있다.

더욱이, 상기 AD 프로세스는 건식 환경에서의 수행으로 인해, 졸-겔 과정과 고분자 호스팅에서 극복되어지지 못한 SWNT의 용해도 한계점을 극복할 수 있게 한다.

상기 AD 프로세스를 위한 장치는 크게 2개의 진공 챔버를 포함한다. 상기 챔버 각각은 에어로졸 형성과 증착을 위한 것으로서, 각기 튜브를 통하여 연결된다.

에어로졸 챔버는 분말을 운송하기 위한 가스 시스템과 상기 가스와 출발 파우더를 섞기 위한 진동 시스템을 구비한다. 상기 에어로졸 챔버에서 생성된 에어로졸은 두 챔버 사이의 압력 차이에 의해 분산 챔버로 전달된다. 상기 분산 챔버는 상기 필림을 형성하고 형상화한다. 상기 분산 챔버는 노즐, 에어로졸 유입 시스템 및 광섬유 페룰을 지지하기 위한 기판 지지대를 포함한다. 상기 에어로졸 유입 시스템의 기계 부스터 펌프에 결합되는 로터리 진공 펌프는 분산 동안에 약 100 ~ 5,000 파스칼의 진공 수준을 보장하도록 조정된다. AD 프로세스에 의해서 SiO2와 SWNT를 충족할만하게 통합하기 위한 장치를 준비하기 위해서, SWNT의 비선형 특성과 직접적으로 상관되는 유기 분산제를 피하고, 균일한 분산을 달성하기 위해서 볼 밀링 (ball miling)을 이용하여 SiO2 분말의 혼합물을 준비한다. 상기 노즐은 나노 튜브가 연속파 (CW)와의 직접적인 상호 작용을 제공하도록 광섬유 페룰의 끝면에 상기 출발 파우더를 분산한다. 상기 노즐과 상기 괌섬유 페룰의 끝면에 해당하는 기판의 거리는 약 3mm로 조정되고, 상기 기판은 전체 목표 영역의 균일한 분산을 보장하기 위해서 왕복 운동된다. 분산 두께는 에어로졸 밀도, 왕복 속도 및 반복의 횟수를 기준으로 제어할 수 있다.

펄스 형성은 세라믹 내에서도 보존된 SWNT의 비선형성에 의한 포화 흡수 현상에 의한다.

도 2는 광섬유 페룰의 끝단에 코팅된 SWNT-실리카 복합체의 사진과, 전자현미경 사진을 나타낸다.

도 2에 도시된 전자 현미경 사진에서는 실리카의 치밀화된 미세구조를 볼 수 있고, SWNT가 그 미세구조 사이 사이에 존재함을 확인 할 수 있다.

도 2(a)는 광섬유 페룰의 끝면에 분산된 SWNT-SiO2 합성 필름이 코팅된 것을 나타낸다. 분산 속도는 2 mm/sec이었고, 그리고 10회 반복하였다.

도 2(b)에서와 같이 SEM (scanning electron microscope) 이미지에 표시된 대로, 상온에서 높은 증착 속도의 AD를 통하여, SWNT-SiO2 합성 필름의 고밀도 미세 구조는 얻을 수 있다는 것으로 확인된다. 즉, 도 2(b)를 참고하여 알 수 있는 바와 같이, 합성 필름에서 SiO2에 둘러싸인 SWNT를 확인할 수 있다. 출발 분말의 높은 충격 에너지가 SiO2 입자를 분쇄한 치밀한 구조를 사용하더라도, SWNT의 형태는 필름 속에 보존되었다.

상기 합성 필름 상에서 SWNT의 존재를 확인하기 위해서, 유리 기판에 분산된 필름에 대해서 라만 분석과 투과 특성 분석을 도 3과 같이 수행하였다.

도 3은 SWNT-실리카 복합체 막에 대한 라만 스펙트럼 분석과 투과 특성 분석 결과를 나타낸다.

도 3(a)을 참고하여 알 수 있는 바와 같이, 복합체 필름의 라만 스펙트럼 분석 결과를 알 수 있으며, RBM (radial breathing mode)의 확인으로 인해 SWNT의 형상이 호스트 내에서도 보존됨이 확인된다.

도 3(a)에서 알 수 있는 바와 같이, RBM 피크는 SWNT의 방사 (radial) 방향으로 탄소 원자의 일관된 (coherent) 진동에 대응하는 지표 피크이다. 피크가 다소 하강하는 부분이 존재하나, 호스트 내의 SWNT가 크게 손상없이 형태 특성을 유지할 수 있기 때문에, 무시할 수 있다.

도 3(b)는 유리 기판상에 스프레이된 기준 SWNT와, AD 프로세스에 의해 유리 기판에 분산된 SWNT-SiO2 합성 필름에 대한 투과 특성 곡선을 나타낸다.

상기 SiO2 - SWNT 합성 필름에서는, 밴드-에지 (band-edge) 전이에 의해 유발되는 기본 S1 흡수 피크가 약 1,250 nm 정도의 중심 파장에서 발견되었다. 그러나, 실리카로 호스트된 SWNT의 약간 짧은 파장 방향으로 경미하게 이동되었으며, 파장이 단파장으로 이동함에 따라 투과 수준은 상당히 감소되었다.

상기 피크 이동은 SiO2 호스트에 잔류된 압축 스트레스에 의해 초래되었다고 분석할 수 있고, 또한 파장에 의존하는 투과 수준은 주변의 호스트 물질에 의해서 탄소 나노 구조의 표면이 오염과 동적 분산 프로세스 동안 유발된 점 결함 (point defect)에 의해서 초래되었다고 볼 수 있다. 결과적으로, 호스트된 SWNT이 비선형적인 흡수 수준은 1550 nm의 영역에서 약 5 %로 유지 될 수 있는 것으로 확인되었다.

실험적으로 AD 프로세스에 의해 SiO2로 호스팅되는 SWNT가 비선형 포화 흡수를 나타내주었기 때문에, 수동 모드 잠금을 이용하여 광섬유 레이저의 펄스를 고품질로 형성할 수 있다는 것이 증명되었다. 즉, AD 프로세스를 통해 광섬유 페룰 상에 SWNT-SiO2 필름 코팅을 함으로써, 포화 흡수가 달성되었다.

도 4는 본 발명에 따라 제작된 복합체 필름을 이용하여 광섬유 링 레이저를 구성한 예를 나타낸다.

도 4에 도시된 바와 같이, 상기 펄스 레이저의 공진기 내에는, 진행하는 레이저의 편광을 조절하는 편광조절기 (polarization controller)와; 레이저 진행의 방향성을 제시해주는 고립기 (isolator), 공진기 내에 광학적 이득을 제공해 주는 매체인 에르븀(erbium)이 도핑된 광섬유증폭기 (erbium-doped fiber amplifier; EDFA), 레이저의 일정 출력을 나누어 출력단을 형성해주는 광 커플러 (coupler), 그리고 상기 소자들을 연결해주며 색분산 (chromatic dispersion)을 조절하기 위한 단일 모드 광섬유(single mode fiber; SMF)를 포함한다. 여기서 상기 광섬유의 페룰 끝면에는 실리카와 SWNT의 복합 필름이 코팅되어 있고, 상기 복합 필름은 광학적 비선형 소자인 포화 흡수체로 작용을 하여, 레이저의 모드 잠김 (mode-locking)을 유도하고 이로써 펄스 레이저를 출력한다.

상기 복합 필름은 상기 광섬유의 페룰 끝면에 위치하여, 상기 광섬유에 의해 안내되어 진행하는 레이저와 상호 작용할 수 있다.

이때, 상기 상호 작용은 상기 레이저가 상기 복합 필름의 층을 투과하면서 상기 복합 필름의 비선형 효과가 상기 레이저의 피크 파워 (peak power)에 의존되도록 하는 직접투과방식 (direct penetration scheme)을 이용하는 것일 수 있다. 또는, 상기 상호 작용은 상기 레이저의 대부분은 상기 복합 필름층 투과를 피해서 광섬유 코어내로 진행되고, 상기 레이저의 나머지 일부는 소실장 (evanescent field)의 형태로 상기 복합 필름과 작용하게 되어 포화흡수에 의해 동일한 펄스를 생성하게 되는 방식을 이용하는 것일 수 있다.

결과적으로, 펨토초 펄스는 실리카에 분산된 SWNT를 기반으로 하는 포화 흡수체에 의해 단일 공진기로부터 구현되고, 이러한 SWNT의 실리카내의 안정적인 분산은 AD 프로세스로 가능하도록 한다.

EDFA에 입력 전류가 150 mA에 도달하고, 진행하는 광의 편광이 조정되었을 때, 모드 잠금은 3.02 dBm의 출력 전력으로 시작된다. 일단 모드 잠금이 달성되면, 모드 잠김은 레이저가 꺼짐과 켜짐을 반복 할 때 마다 스스로 시작되었다.

도 5는 0.05 nm 정도의 해상도 수준을 갖는 광 스펙트럼 분석기 (OSA)에 의해 측정된 광학 스펙트럼을 나타낸다.

중심 파장과 반치폭 (full width at half maximum; FWHM)이 각각 1599.2 nm의 및 3.31 nm 정도이다. OSA 스펙트럼에서 읽힌 소멸 비율 (extinction ratio)은 도 5에서 볼 수 바와 같이 30 dB를 넘는다. 스펙트럼 상단에서 보여지는 다소의 연속파 요소는 전력 레벨, 편광 상태, 분산 수준뿐만 아니라 모든 공진기 내부 조건에 따라서 제어될 수 있다.

도 6은 도 4에 도시된 광섬유 링 레이저에 대한 오실로스코프와 자동상관기 (autocorrelator) 측정 결과를 나타낸다.

도 6을 참조하여 알 수 있는 바와 같이. 자동상관기에 의해 측정된 개개 펄스의 폭을 측정하여 폭이 890 펨토초 (femtosecond)임을 확인 하였다.

도 6(a)는 SiO2 호스트된 SWNT에 의해서 형성된 출력 펄스열에 대해 10 Gbit/s 광감지기에 의해서 측정된 결과를 나타낸다. 고조파 (high harmonic) 모드 잠김을 제한한 후, 21.0 m의 캐비티 길이에 해당하는 9.52 MHz 이상의 반복 속도를 달성하였으며, 아울러 형성된 펄스가 기본 모드에서 작동됨을 보여주었다.

개별 펄스의 일시적 펄스 지속성은 도 5(b)에 나타난 자동상관기로 측정되었다. 데이터를 sech 곡선으로 유추하여, 측정된 FWHM은 890 fs 임을 알아내었다. 시간-주파수 프로덕트 (time-frequency product)가 0.363되면서, 생성된 펄스는 높은 품질을 갖는다는 사실을 증명 하였고, 이 값은 변환제한 (transform-limited) 값인 0.315에 근접하였다.

펄스 요소들을 고려해, sech 펄스 형성을 가정하고 펄스 에너지와 피크 파워를 계산하였더니 0.2 nJ와 0.21 ㎾가 산출되었다.

본 발명의 SWNT-SiO2 샘플은, 20.8 dBm의 공진기내 동작 파워 수준도 견디어 냄을 증명하였다. 일반 단일모두 광섬유에서 10 dBm (직접 상호 작용 방식의 경우)의 광 파워 레벨을 넘어서는 열적으로 약한 자유공간상의 SWNT와는 달리, 상기 샘플은 세라믹 호스팅의 중요한 역할을 보여주면서, 높은 파워를 경험한 후에도 여전히 비선형성을 나타내었다.

결과적으로, SWNT와 레이저 빛의 효과적인 직접적인 상호 작용을 목표로 하여, 상온 건조 공정 조건에서 AD 프로세스를 기반으로 하는 실리카-SWNT 복합체의 제작법을 현실화 하였다. 실험에서는 매우 효과적인 상기 복합체 필름 증착 프로세스를 사용하여 열 손상 문제 뿐 아니라, SWNT의 용해도에서의 한계점을 극복할 수 있음이 증명되었다.

포화 흡수체로서 SWNT-SiO2 합성 필름에 의한 광섬유 펄스 레이저가 모드 잠김되는 것을 증명함으로써, 상기 호스트 내에서 SWNT의 비선형성이 보존되는 것이 검증되었다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시 예에만 한정되는 것은 아니므로, 본 발명은 본 발명의 사상 및 특허 청구 범위에 기재된 범주 내에서 다양한 형태로 수정, 변경, 또는 개선될 수 있다.

Claims (10)

1. 단일벽 탄소나노튜브 (SWNT)를 이용하여 펄스 레이저를 제조하는데 있어서, 포화 흡수체를 에어로졸 증착 (aerosol deposition; AD)법에 의해 SWNT-실리카 복합체의 형태로 제조 하는 방법으로서,
   볼 밀링 (ball miling)을 이용하여 실리카 분말과 SWNT의 혼합물을 준비하는 단계와;
   상기 실리카 분말과 SWNT의 혼합물을 출말 파우더로서 노즐을 통해 광섬유 페룰의 끝면에 반복적으로 분사하는 단계와;
   상기 페룰의 끝면에 균일하게 분사되도록, 상기 광섬유 페룰을 왕복 운동시키는 단계와;
   혼합물이 상기 페룰의 끝면에 일정한 두께의 필름 형태로 코팅되도록 상기 반복 횟수 및 상기 왕복 운동의 속도를 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 포화 흡수체를 이용한 펄스 레이저 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 필름의 두께는
   상기 혼합물의 밀도에 의해서 조절되는 것을 특징으로 하는 포화 흡수체를 이용한 펄스 레이저 제조 방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 분사는 상온에서 수행되고,
   상기 상온에서 상기 혼합물이 분사되는 운동 에너지에 의해 상기 광섬유 표면에 필름 형태로 코팅되는 것을 특징으로 하는 포화 흡수체를 이용한 펄스 레이저 제조 방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 분사는 용매가 필요 없는 건식으로 진행되는 것을 특징으로 하는 포화 흡수체의 제조 방법.
5. 탄소 나노튜브를 이용한 펄스 레이저로서,
   광섬유의 페룰 끝면에는 실리카와 SWNT의 복합체 필름이 코팅되어 있고, 상기 복합 필름에 의해 레이저의 모드 잠김 (mode-locking)을 유도하여 펄스 레이저를 출력하게 되는 광학적 비선형 포화 흡수체와;
   상기 펄스 레이저의 공진기 내에는, 공진기 내에 광학적 이득을 제공해 주는 매체인 에르븀(erbium)이 도핑된 광섬유증폭기 (erbium-doped fiber amplifier; EDFA)와;
   진행하는 레이저 빔의 편광을 조절하는 편광조절기 (polarization controller)와;
   레이저 빔의 진행에 방향성을 제시해주는 고립기 (isolator)와;
   레이저 빔의 일정 출력을 나누어 출력단을 형성해주는 광 커플러 (coupler)와,
   상기 비선형 포화 흡수체, 상기 광섬유증폭기, 상기 편광조절기, 상기 고립기 및 상기 광 커플러를 연결하고, 연결된 소자들의 색분산(chromatic dispersion) 합산 값을 보상하기 위한 단일 모드 광섬유 (single mode fiber; SMF)를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저.
6. 제5항에 있어서, 상기 복합체 필름은 상기 광섬유의 페룰 끝면에 위치하여, 상기 광섬유에 의해 안내되어 진행하는 레이저 빔과 상호 작용하고,
   상기 상호 작용은:
   상기 레이저 빔이 상기 복합 필름의 층을 투과하면서 상기 복합필름의 비선형 효과가 상기 레이저 빔의 피크 파워 (peak power)에 의존되도록 하는 직접투과방식 (direct penetration scheme)과, 상기 레이저 빔의 대부분은 상기 복합 필름층 투과를 피해서 광섬유 코어내로 진행되고, 상기 레이저 빔의 나머지 일부는 소실장 (evanescent field)의 형태로 상기 복합 필름과 작용하게 되어 포화흡수에 의해 동일한 펄스를 생성하게 되는 방식을 포함 하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저.
7. 제5항에 있어서, AD 과정을 통해서 상기 페룰의 끝면에 코팅되어 있거나, 투명한 기판에 증착되어 레이저 빔이 투과되도록 위치하고, 레이저 빔의 일부와 작용하기 위해 레이저의 전자기장을 확장시키기 위한 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저.
8. 제5항에 있어서, 상기 복합체 필름은
   AD 과정을 통해서 실리카 호스트 내 SWNT의 용해도 (solubility)의 제한 없이 SWNT 농도의 맞춤형 제어가 가능한 것을 특징으로 하는 펄스 레이저.
9. 제5항에 있어서, 상기 복합체 필름은
   상기 SWNT가 상기 실리카로 도포 되어, 산소는 상기 SWNT로 침투되지 않고, 열은 외부로 배출되고, 레이저 공진기 내의 광파워가 10 dBm 이상의 고출력 레이저 동작에서도 상기 SWNT가 열손상을 입지 않는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저.
10. 제5항에 있어서, 상기 레이저는
    레이저 펄스의 반복률이 100 kHz ~ 40 GHz, 펄스폭이 10 ps ~ 10 fs, 그리고 동작 파장대는 SWNT가 동작되는 전 파장에서 동작하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저.

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