레이저 시스템에 필수적인 광 아이솔레이터의 세계를 크게 변화시킬 기술이 등장했습니다 Nippon Electric Glass는 기존 광 아이솔레이터의 크기를 크게 줄이는 유리 패러데이 소자를 개발했습니다 또한 110mm²의 대구경 유리 패러데이 소자 개발에 성공했습니다 이는 최첨단 의학, 우주 탐사, 핵융합 등에 필요한 고출력 레이저 시스템에 큰 변화를 가져올 가능성이 있습니다

레이저 시스템은 산업, 통신, 의료 분야 등 다양한 분야에서 사용됩니다 최근에는 정밀 가공 및 측정, 첨단 의료, 우주 잔해 제거 및 복구, 핵융합 등의 분야에서 더 높은 정밀도와 더 높은 출력의 레이저 시스템이 요구되고 있습니다 유리는 이러한 레이저 시스템의 발전에 큰 기여를 할 것으로 기대되는 소재이다

유리에 다양한 성능과 기능을 부가한 '특수유리'를 70년 이상 생산해온 일본전기유리(Nippon Electric Glass)가 레이저 시스템용 광 아이솔레이터에 사용하기 위해 이전에는 어렵다고 여겨졌던 유리로 만든 패러데이 소자를 개발했다 이는 단결정을 사용하는 기존 패러데이 소자의 문제점을 해결하고, 이전에는 불가능했던 크기와 특성을 갖는 광 아이솔레이터의 개발을 가능하게 할 것입니다

Nippon Electric Glass 상무이사 겸 연구개발본부장인 Masaaki Kadomi는 "여러 회사에서 오랫동안 패러데이 소자용 유리를 개발하려고 노력해 왔습니다 그러나 기존 제품에 사용되는 단결정보다 우수한 특성을 달성하는 것은 불가능하다고 합니다 우리는 이 문제를 해결하는 유리를 개발하여 획기적인 발전을 이루었습니다"라고 강조합니다 회사는 유리를 가속화할 것입니다 두 가지 전략을 가진 패러데이 소자 사업: 고출력 레이저와 호환되는 대형 유리 패러데이 소자 제공 및 기존 소자보다 훨씬 작은 광 아이솔레이터 제공

광 아이솔레이터는 조사된 레이저가 물체에 반사되어 돌아오는 '반사광'으로부터 광원을 보호하는 장치입니다 반사된 복귀광이 레이저 시스템에 유입되면 레이저 발진이 불안정해질 뿐만 아니라 광원 손상 및 노이즈 발생의 원인이 됩니다 광원을 보호하고 레이저 시스템의 안정성을 유지하는 데 필수적인 구성 요소입니다

패러데이 요소는 광 아이솔레이터의 핵심 역할을 합니다 광 아이솔레이터는 자석과 그 내부에 배치된 패러데이 소자, 앞뒤에 배치된 두 개의 편광판으로 구성됩니다 자석에 자기장을 가하고 입사광이 자기장 속의 패러데이 소자를 통과하면 입사광의 편광면이 45도 회전합니다 빛은 45도 기울어진 편광판을 통과합니다 반사된 복귀광이 물체에서 돌아와 패러데이 요소를 통과하면 45도 더 회전됩니다 입사광에 비해 90도 회전되어 있고 편광판과 수직이므로 빛이 통과할 수 없습니다 이런 방식으로 되돌아오는 빛이 차단됩니다

일반적인 레이저 시스템에서는 파이버 증폭기를 사용하여 시드 레이저를 증폭한 다음 고체 증폭기를 사용하여 단계별 증폭을 통해 고출력 레이저가 생성됩니다 광 아이솔레이터는 항상 이러한 증폭기 전후에 사용됩니다 증폭을 통해 증가하는 빔 직경에 따라 광 아이솔레이터의 개구(유효 직경)를 크게 할 필요가 있습니다 Nippon Electric Glass는 광섬유 증폭기와 호환되는 광섬유 절연체 외에도 다양한 유효 직경과 호환되는 자유 공간 광학 절연체를 개발하여 현재 배포하고 있습니다

또한 핵융합 등에 필요한 100J급 고출력 레이저 시스템에서는 레이저 빔 직경이 극도로 커지므로 이를 수용할 수 있는 대형 패러데이 소자가 필요합니다 Nippon Electric Glass는 기존 단결정 패러데이 소자로는 달성하기 어려웠던 대형 직경 110mm²의 유리 패러데이 소자 개발에 성공했습니다

일본 전기 유리 연구 개발 본부 개발 부서 스즈키 후토시 씨는 "유리 조성을 설계하고 용도에 맞게 조정된 특성을 갖는 유리를 개발하는 것이 우리의 전문 분야입니다 패러데이 효과를 높이고 더 큰 크기에 적합한 유리를 만드는 등 다양한 요구에 대응할 수 있습니다"라고 말합니다

이러한 장점을 활용하여 Nippon Electric Glass는 광 아이솔레이터의 크기를 크게 줄이는 패러데이 소자용 유리 개발에 성공했습니다 FM-02는 베르데 상수가 큰 유리입니다

　편광면의 회전각(패러데이 회전각)은 "V(패러데이 소자 물질의 베르데 상수) x H(자기장) x L(패러데이 소자의 길이)"로 표현할 수 있다 베르데 상수가 클수록 필요한 자기장은 작아집니다 즉, 작은 자석을 사용할 수 있으므로 광 아이솔레이터도 더 작게 만들 수 있다

통상적으로 패러데이 소자에는 YIG(이트륨 철 가넷) 및 TGG(테르븀 갈륨 가넷)과 같은 단결정이 사용되었습니다 YIG는 패러데이 효과가 크지만 철이 빛을 흡수하기 때문에 고출력 레이저에는 사용하기 어렵다 이에 반해 TGG는 가시광선부터 근적외선까지의 파장의 빛을 흡수하지 않는 Tb(테르븀)의 자성을 이용하고, 빛을 흡수하는 철 등의 물질을 포함하지 않기 때문에 고출력 레이저와 호환된다는 장점이 있다 이러한 이유로 TGG 패러데이 소자는 기존 고출력 레이저 시스템의 주류입니다

FM-02는 Nippon Electric Glass가 개발한 제품으로 Tb 함량이 60mol% 이상으로 높고 베르데 상수가 TGG 단결정 대비 17배 높습니다 FM-02를 패러데이 소자로 사용하면 자석을 더 작게 만들 수 있어 TGG를 사용하는 기존 제품보다 광 아이솔레이터를 훨씬 더 작게 만들 수 있습니다

Nippon Electric Glass의 광 아이솔레이터는 레이저의 파장(색상)과 일치하는 유리를 사용하는 등 모양과 크기뿐만 아니라 패러데이 소자의 특성까지 맞춤 설정할 수 있습니다

　이러한 맞춤화는 유리의 '깨지기 쉬운 문제'를 해결하는 데에도 기여합니다 레이저 파장에 완전히 투명한 유리를 만들면 에너지를 흡수하지 않아 열 충격 저항이 증가하기 때문입니다 고객이 사용하는 레이저의 파장에 맞게 유리를 맞춤 제작함으로써 열충격에 강한 광 아이솔레이터를 제공할 수 있습니다 이는 일본전기유리가 갖고 있는 큰 장점이기도 하다

광 아이솔레이터의 소형화 외에도 Nippon Electric Glass는 대형 고출력 레이저를 겨냥한 대구경 패러데이 소자 개발에도 주력하고 있습니다 특정 목표는 레이저 융합입니다 핵융합발전은 청정 발전기술로 주목받고 있다 2022년에는 미국 로렌스 리버모어 국립연구소가 레이저를 이용해 핵융합 점화에 성공했다는 소식이 전해지며 큰 화제를 모았다 핵융합력의 실용화 가능성이 갑자기 높아졌기 때문이다

레이저 융합을 이용하여 전기를 생성하려면 단발성 레이저를 사용하는 것이 아니라 계속해서 융합 반응을 일으키기 위해 레이저를 고속으로 반복적으로 조사해야 합니다 레이저를 조사할 때마다 반사된 복귀광이 발생하므로 이에 대한 대책으로 광 아이솔레이터가 필수적입니다 그러나 핵융합에 사용되는 레이저 시스템은 각 유닛이 트레일러만큼 큰 장치이며, 레이저의 최대 빔 직경은 90mm로 매우 크다 이에 대응할 수 있는 광 아이솔레이터에는 직경 100mm 이상의 대구경 패러데이 소자가 필요하지만, "현재 알려진 바는 없다"(스즈키 씨) 이를 가능하게 해주는 소재가 유리가 될 것으로 기대된다

닛폰전기유리(Nippon Electric Glass)는 FM-02와 다른 조성의 유리를 사용하여 직경 110 x 110mm의 대구경 유리 패러데이 소자 개발에 성공했습니다 "베르데 상수를 높이면 유리를 더 크게 만들기 어렵다는 트레이드오프가 있습니다 따라서 베르데 상수가 TGG 단결정과 유사하면서도 더 큰 크기에 적합한 구성으로 유리를 설계했습니다 현재 이를 대형 광절연체에 적용하는 작업을 진행하고 있습니다" (스즈키 씨)

Nippon Electric Glass는 대구경 패러데이 소자를 제공할 예정이며, 광 아이솔레이터는 다른 기관/기업과 협력하여 개발될 예정입니다

Nippon Electric Glass는 유리 패러데이 소자를 포함한 중소형 광 아이솔레이터를 설계하고 조립을 통해 판매합니다 카두미 씨는 "재료를 100% 활용하려면 재료를 잘 아는 회사가 광절연체를 설계하는 것이 좋다"며 "광절연체의 설계와 조립에 참여하면 문제를 파악하기가 더 쉬울 것"이라고 말했다 이러한 문제는 즉시 유리 패러데이 소자 설계에 피드백될 수 있기 때문에 광절연체의 개선은 빠르게 진행될 것이다"

미스터 카두미 씨는 레이저 융합은 일본의 매우 중요한 발전 기술이라고 강조한다 우리의 소재로 이 분야에 기여하기 위해서는 광 아이솔레이터와 패러데이 소자에 대한 문제를 최대한 빨리 이해하고 해결해야 합니다 이것이 패러데이 요소에만 국한되지 않고 광 아이솔레이터의 설계 및 조립에 대해서도 연구하는 것의 의미입니다''

유리 패러데이 소자의 개발은 오랜 역사를 가지고 있으며, 수년에 걸쳐 다양한 회사가 이를 개발하는 데 도전해 왔습니다 그러나 유리의 결정보다 우수한 특성을 얻는 것은 근본적으로 어려우며, 내열충격성 등 유리 특유의 문제를 해결하기 어려워 많은 기업이 이 공정을 철회했다 "이런 상황에서 우리는 특수 유리 개발을 통해 축적한 기술력을 활용하여 대구경 유리 패러데이 소자 개발에 많은 어려움을 극복했습니다"(Kadumi 씨)

유리 패러데이 요소의 존재가 점차 알려지고 있습니다 가공 장비, 반도체 제조 장비에 대한 문의가 쇄도하고 있으며, 맞춤 제작 요청도 늘어나고 있습니다 "우리는 자신의 요구 사항을 충족하는 광 아이솔레이터가 없기 때문에 레이저 시스템 개발을 포기한 개발자들이 우리의 유리 패러데이 소자와 광 아이솔레이터에 대해 알아주셨으면 합니다 궁금한 점이 있으면 언제든지 문의해 주세요"라고 Kadumi 씨는 강조했습니다

유리에 관한 모든 것을 알고 있는 Nippon Electric Glass가 개발한 패러데이 소자는 레이저 시스템 개발에 큰 공헌을 할 것입니다

[재인쇄 기사]
출처: EE Times Japan
2025년 3월 31일 EE Times Japan에 게재된 기사에서 재인쇄
이 기사는 EE Times Japan의 허가를 받아 게시되었습니다
기사 URL: https://eetimesitmediacojp/ee/articles/2503/28/news005html