광전자공학이란 무엇인가요?

광전자공학(또는 광전자)은 단순히 광자학의 하위 분야가 아니라, 광학과 전자공학이 겹치는 핵심 분야로 통신, 영상, 감지 및 에너지 전반에 걸쳐 혁신을 주도합니다. 광전자공학은 두 분야의 경계에 있지만, 빛의 방출 또는 감지와 관련된 고유한 소자 범주입니다.

이와 관련하여 광전자 소자는 빛을 활용하여 전자 출력으로 변환하거나 전자 입력을 받아 빛으로 변환합니다. 광전자 소자는 한 유형의 에너지를 다른 유형의 에너지로 변환하기 때문에 변환기로도 분류될 수 있습니다.

광전자 소자는 자동차, 군사 및 방위, 항공우주, 에너지, 의료, 가전제품 및 통신 분야를 포함한 여러 첨단 기술 산업에 매우 중요합니다. 오늘날 사용되는 주요 광전자 구성 요소 중 일부는 다음과 같습니다.

• 포토다이오드
• 레이저 다이오드
• 발광 다이오드(LED) 및 마이크로 LED
• 포토레지스터
• 태양광 전지(광전)
• 광섬유 케이블
• 포토트랜지스터
• 광검출기

이러한 산업 분야에서 광전자 소자는 다음과 같은 광범위한 응용 분야에서 사용됩니다.

• 카메라
• 의료 영상/의료 센서(내시경 등)
• 의료 진단(심박수 모니터 등)
• 라이다 및 기타 자동차 센서
• 디스플레이.
• 원격 안내 시스템
• 레이저
• 스마트폰, 스마트워치, LED 조명, 커피 머신, 최신 가전제품 등 일상 전자 제품
• 광감응 스위칭 장치
• 레이저 프린터

기존의 반도체 전자 및 광학은 전자를 사용하여 전자기 정보 신호를 전송합니다. 광전자공학은 자외선, 가시광선 및 적외선 파장을 포함하여 빛으로부터 정보를 얻는다는 점에서 기존 전자 소자와 다릅니다.

거울, 렌즈, 필터 등 빛을 수동적으로 조절하는 순수 광학 시스템과는 달리, 광전자 소자는 빛과 전기 신호를 능동적으로 변환하여 카메라, 광섬유, 레이저, 광검출기 등의 기술에 동력을 공급합니다. 이러한 소자는 광학 구성 요소를 통과하는 광파의 전자기장(예: 편광)과 직접적으로 상호 작용합니다.

광전자공학은 전기광학 소자와도 관련이 있지만, 두 종류의 하이브리드 광전자 소자를 구분할 수 있는 차이점이 있습니다.

광전자 소자와 전기광학 소자 모두 빛 파동 및 전기장과 상호 작용하지만, 그 상호 작용 방식에 차이가 있습니다. 광전자 소자는 전기 신호를 광 신호로 또는 그 반대로 변환하는 반면, 전기광학 소자는 소자 내 재료의 광학적 특성을 이용하여 전기장이 빛을 제어, 변조 및 조작하는 방식에 중점을 둡니다. 전기광학 소자의 예로는 광 스위치, 변조기, 고주파 증폭기가 있습니다.

광전자 소자는 광전 효과, 광전압 효과, 전기발광, 유도 방출 등 여러 가지 기본 메커니즘에 의해 작동합니다.

광전 효과

광전 효과는 빛이 재료에 비춰졌을 때 재료에서 전자가 방출되는 현상입니다. 광자의 에너지는 주파수와 직접적인 관련이 있으며, 이 에너지가 재료의 작동 기능을 초과하면 전달되는 에너지가 전자를 재료에서 방출시키기에 충분합니다.

많은 광전자 소자가 광전 효과를 이용합니다. 예를 들어, 포토다이오드는 광전 효과를 이용하여 빛을 감지하고 전기 신호로 변환하며, 포토트랜지스터는 광전 효과를 이용하여 센서와 스위치에서 빛 신호를 증폭하고, 태양전지는 이 효과를 이용하여 햇빛을 직접 전기로 변환합니다.

광전압 효과

광전압 효과는 빛을 조사한 후에도 전자가 재료 내에 갇혀 있지만, 자연적인 바닥 상태의 전자보다 높은 에너지 상태를 유지하는 현상입니다. 빛의 에너지는 반도체 접합부를 가로질러 전자와 정공 전하 운반체의 이동을 일으켜 전류를 발생시키고, 이 전류는 외부 회로로 전달됩니다. 이는 태양광 전지에서 햇빛으로부터 전압과 전류를 생성하는 데 사용되는 효과이지만, 포토다이오드와 포토트랜지스터에도 사용됩니다.

전기발광

전기발광은 고체 재료가 전기장 또는 전류와 상호 작용할 때 빛을 방출하는 광학 현상입니다. 이 현상은 전자가 여기되어 전자와 정공 전하 운반체의 복사 재결합 과정에서 에너지를 방출시키며, 이때 전자는 빛으로 에너지를 방출합니다. 전기발광은 반도체 재료에서 관찰되며 디스플레이 기술에 사용됩니다.

유도 방출

유도 방출은 여기된 원자의 전자가 특정 주파수의 광자와 상호 작용할 때 발생하는 광학 과정입니다. 여기된 전자는 에너지 수준을 낮추고 에너지를 주변의 전자기장으로 전달합니다. 이 과정에서 입사광과 동일한 편광 및 주파수를 가진 새로운 광자가 생성되어 두 광자의 일관성이 유지됩니다. 이 프로세스는 광 신호를 증폭시키며 레이저 광을 생성하는 데 자주 사용됩니다.

광전자 소자는 다양한 분야에 응용되며, 집에서 보통 사용하는 일상 전자 제품뿐 아니라 첨단 산업 분야에서도 찾아볼 수 있습니다. 여기서는 몇 가지 예를 좀 더 자세히 살펴보겠습니다.

자동차 센서

다양한 광전자 구성 요소를 사용하는 센서가 차량에 통합되고 있으며, 이러한 센서로는 다음이 있습니다.

• 상보형 금속 산화물 반도체(CMOS) 센서: 자율주행 자동차 및 첨단 운전자 보조 시스템(ADAS)에서 주변 환경을 인식하는 데 사용됩니다.
• 전하 결합 소자(CCD) 카메라: 자율 주행에 사용되는 또 다른 영상 카메라로, 특히 저조도 환경에서 유용합니다.
• 라이다: 장애물과 차량을 추적하여 차량 주변의 3D 지도를 생성하며 자율주행 자동차와 ADAS에 널리 사용됩니다.

ADAS, 후방 주차 카메라, 자동 조종 장치 등 자율주행 기능이 점점 더 많아짐에 따라, 훨씬 더 많은 고급 광학 센서가 차량에 통합되고 있습니다. 이러한 센서 중 일부는 가시광선을 이용하고, 다른 일부는 적외선 신호를 송수신합니다. 오늘날 차량에는 차량 주변 환경을 더 적절히 인식하기 위해 수동 센서와 능동 센서가 모두 사용됩니다. 자동차 산업이 고도의 자율주행 자동차로 나아가면서, 차량 주변 환경에 대한 더욱 정교한 인식을 제공하기 위해 광전자공학 기반 센서가 더 많이 통합될 것입니다.

전기 통신

광전자공학은 광섬유뿐만 아니라 레이저 및 광집적 회로(PIC) 덕분에 현대 통신 기술의 핵심입니다.

이러한 시스템에서 반도체 레이저 다이오드는 전자 데이터를 빛으로 변환하고, 이 빛은 펄스 형태로 광섬유에 주입되어 장거리를 이동합니다. 신호는 광섬유의 코어와 클래딩 사이의 굴절률 차이를 유도관(도파관)으로 이용하여 광섬유를 따라 전송됩니다. 다른 쪽 끝에서는 광검출기로 구성된 송수신기가 빛을 다시 전기 신호로 변환합니다. 이 프로세스를 통해 빛은 전자보다 훨씬 빠르게 장거리를 이동할 수 있으므로 빛을 사용하여 전자 데이터를 한 위치에서 다른 위치로 전송할 수 있습니다.

레이저, 변조기, 검출기 등 이러한 부품이 앞서 언급한 PIC인 초소형 칩으로 통합되어 네트워크를 더 빠르고, 작고, 효율적으로 만들고 있습니다. 이러한 전체적인 구성 덕분에 인터넷과 모바일 네트워크가 엄청난 양의 데이터를 고속으로 처리할 수 있습니다.

의료 영상/카메라

의료 분야에서는 광전자 소자가 내시경에 사용되고 있습니다. 광전자공학으로 내시경은 더 작아지고 있으며, 이는 광전자공학 기술의 소형화가 지속됨에 따라 시술이 덜 침습적으로 변하고 있음을 의미합니다.

광전자공학은 기존 내시경 시술 외에도 새롭고 더욱 발전된 접근 방식을 개발하는 데 활용되고 있습니다. 한 가지 예로 환자가 삼킬 수 있는 알약 카메라가 있습니다. 이 카메라는 위장관을 통과하면서 사진을 촬영하며, 일반적인 내시경 시술보다 훨씬 편안합니다.

가전제품

광전자공학은 많은 가전제품에서 찾아볼 수 있습니다. 조명과 디스플레이가 통합된 거의 모든 현대 기기는 광전자 소자를 사용하여 빛을 방출합니다. 예:

• LED: LED는 미적 조명이 필요한 가전제품의 조명 광원과 같은 일상 조명 제품 그리고 고화질과 낮은 에너지 소비량 덕분에 LED 및 유기 발광 다이오드(OLED) TV, 스마트폰, 노트북, 컴퓨터 모니터에 널리 사용됩니다.
• 이미지 센서(CCD, CMOS 센서): 이러한 센서는 디지털 카메라, 웹캠 등 다양한 영상 및 비디오 관련 가전제품에 사용됩니다.
• 기타 센서: 가전제품에 사용되는 그 외의 광전자 센서는 매우 다양합니다. 주요 예로는 원격 제어용 적외선 센서, AR/VR 헤드셋용 깊이 센서, 스마트 홈 자동화를 위한 광학 모션 센서가 있습니다.
• 레이저 다이오드: 레이저 다이오드는 통신 기술, 광 저장 기술, 바코드 스캐너에 사용됩니다.
• 광커플러(광절연체): 이러한 광학 상호 연결은 빛을 이용하여 집적 회로 간에 전자 신호를 전송하는 동시에 회로 자체를 전자적으로 절연합니다. 전원 공급 장치, 모터, 데이터 수집 시스템, 통신 인터페이스 등에 널리 사용됩니다.

태양 전지

태양 전지는 그 자체로 광전자 소자이지만, 특히 최근 태양광 패널 설치가 증가하고 전력망에 연결되어 탄소 중립 에너지 공급이 확대됨에 따라 매우 중요한 응용 분야이기도 합니다. 태양광 패널은 주택과 사업체뿐 아니라 대규모 발전소에도 태양광 패널 배열 형태로 설치할 수 있습니다.

태양 전지에는 전통적인 실리콘 태양 전지부터 그래핀 강화 태양 전지, 페로브스카이트 태양 전지, 유기 태양 전지, 유연하고 투명한 태양 전지, 염료 감응형 태양 전지(DSSC)에 이르기까지 다양한 종류가 있습니다. 또한 태양 전지는 단일 p-n 접합 또는 다중 접합부를 사용하며 단일 패널 또는 양면 모듈 형태로 상용화되어 있습니다.

광전자 소자에는 여러 종류가 있으며, 장점은 개별 소자와 통합되는 응용 분야에 따라 달라집니다. 광전자공학의 장점으로 들 수 있는 예는 다음과 같습니다.

• 카메라는 앞에 있는 물체를 명확하게 인식하고 식별할 수 있지만, 레이더와 같은 순수한전자 시스템은 물체를 감지만 할 뿐 식별하지는 못합니다.
• 에너지 효율, 밝기 및 화질 측면에서 LED 조명을 능가하는 것은 없습니다.
• 광전자공학은 통신 기술에 더 높은 대역폭을 제공합니다.
• 광전자공학은 많은 전자 소자보다 전력 소모가 적습니다.
• 광전자공학은 전자 시스템보다 훨씬 먼 거리까지 정보와 데이터를 전송할 수 있습니다.
• 광전자공학은 많은 전자 소자보다 비용 효율성이 높습니다.

광전자 소자의 단점은 다음과 같습니다.

• 레이더는 안개를 비롯한 다양한 환경에서 작동할 수 있지만, 카메라와 라이다는 열악한 환경에서 오경보를 발생시킬 수 있습니다.
• 카메라는 레이더보다 가격이 비쌉니다.
• 생산 과정에서의 작은 변동/결함이 소자 성능에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.
• 응용 분야에 따라 광전자 소자를 기존 아키텍처에 통합하는 것이 어려울 수 있습니다.
• 광전자 소자에서 발열은 큰 문제가 될 수 있습니다. 광전자 구성 요소가 점점 작아지고 전력 소모가 증가함에 따라 과열 및 파손을 방지하기 위한 새로운 발열 관리 옵션이 필요합니다.

광전자 소자의 제조는 매우 중요합니다. 광학 구성 요소에 먼지가 조금이라도 묻으면 센서가 주변 환경을 감지하지 못할 수 있으며, 반도체 전자 소자의 불완전성으로 인해 광 신호와 전자 신호 간 변환 시 처리 오류가 발생할 수 있습니다.

지속적인 프로토타입 제작의 필요성을 극복하려는 경우 시뮬레이션을 통해 다음과 같은 이점을 얻을 수 있습니다.

• 통합된 광전자 구성 요소로 제품 제작 및 기능 검증
• 최적의 재료 결정
• 광파가 소자와 상호 작용하는 방식 시뮬레이션
• 광학 구성 요소가 더 넓은 전자 시스템에 어떻게 통합되는지 확인
• 광학 구성 요소를 설계하고 광학 구성 요소가 기계 지지대에 통합될 때 발생하는 복굴절 등의 기계적 효과 확인
• 열, 공기 흐름 또는 액체 흐름과 같은 환경 자극이 광전자 소자에 미치는 영향 확인
• 광전자 소자를 설계하고 제조하는 엔지니어의 비용 및 시간 절감
• 실험적 접근 방식만으로는 추론 불가능한 동작 발견

Ansys는 광전자 소자 시뮬레이션을 위해 다음과 같은 툴을 제공합니다.

Ansys Lumerical 소프트웨어: Lumerical 소프트웨어는 광전자 소자의 나노포토닉스 동작에 중점을 둡니다. 광파가 흡수되고 광학 구성 요소와 상호 작용하는 방식을 분석합니다.

Ansys Zemax OpticStudio 광학 시스템 설계 및 분석 소프트웨어: OpticStudio 소프트웨어는 렌즈, 도파관 및 광자 회로를 포함한 광학 시스템을 설계하고 분석하여 빛을 제어하고 지정하는 데 사용됩니다. 광통신 및 PIC에 널리 사용됩니다.

Ansys Speos CAD 통합 광학 및 조명 시뮬레이션 소프트웨어: Speos 소프트웨어는 실제 환경에서 빛의 동작을 시뮬레이션하여 시스템 수준에서 광학 성능을 평가하는 데 도움이 됩니다. OpticStudio 소프트웨어에서 생성된 정보를 사용하여 자동차에 통합된 카메라 또는 조종석의 AR 디스플레이 등 복잡한 응용 시나리오에서 광전자 소자의 효과와 동작을 확인합니다.

Ansys Mechanical 구조 유한 요소 해석(FEA) 소프트웨어: Mechanical 소프트웨어는 광전자 소자에 사용되는 재료의 특성, 시스템의 열 정보 및 잠재적인 기계적 문제를 조사합니다.

원천 장비 제조업체(OEM)는 다양한 산업 분야를 위해 새로운 고급 광전자 구성 요소를 지속적으로 개발하고 있습니다. 광전자공학은 계속해서 소형화될 것이며, 미래의 많은 소자는 현대 기술의 크기 요구 사항을 충족할 수 있는 100% 광자 시스템이 될 것입니다. 양자 광전자공학은 양자 전자 및 양자 광학 분야의 현재 성공을 기반으로 향후 몇 년 안에 등장할 수 있는 또 다른 분야입니다.

광전자 설계의 지속 가능성 향상도 지속적으로 발전할 분야입니다. 전 세계적으로 유한한 천연 자원의 확보가 점점 어려워짐에 따라, 친환경적이거나 재활용 가능한 재료를 사용하는 것이 더욱 중요해질 것입니다. 하지만 주요 고려 사항은 더 적은 원자재 또는 더 새롭고 지속 가능한 재료를 사용하여 동일한 정확도 및/또는 성능을 얻는 것입니다.

시뮬레이션 기반 접근 방식을 통해 더욱 견고하고 고성능의 광전자 소자를 설계하는 방법을 알아보려면 기술 팀에 문의해 주십시오.

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