Photonics: 빛의 힘 활용하기

우리 주변에는 언제나 빛이 존재합니다. "Photonics"라는 연구 분야 덕분에 휴대폰의 카메라, 자동차의 주차 센서, 책상의 모니터 등 모든 것이 빛의 힘을 이용하여 일상 생활을 개선하고 있습니다. 

Photonics는 빛의 생성, 제어, 조작 및 검출을 포함하는 다분야 영역입니다. 

전자기 방사의 한 형태인 빛은 전자기 스펙트럼의 광범위한 파장에 걸쳐 있습니다. 빛은 양자화되어 있기 때문에 파동 및/또는 입자처럼 작동할 수 있습니다. (예를 들어, 빛이 좁은 틈을 통과할 때는 파동이 되지만 태양 전지판에 부딪히면 에너지를 전달하는 입자가 됩니다.) Photonics는 이러한 다양한 동작을 사용하여 빛의 힘과 속도로 실용적인 응용 분야를 설계합니다. 

전자 장치가 전자로 이루어진 것처럼, 빛은 광자로 이루어져 있습니다. 광자는 전자기 에너지를 가진 매우 빠르게 움직이는 작은 입자입니다. 이러한 속도 덕분에 Photonics 기반 시스템은 다음과 같은 다양한 응용 분야에 매력적인 옵션입니다.

• 디스플레이 및 가전 제품: MicroLED, OLED, LED 및 LCD는 모두 Photonics의 뛰어난 성능을 기반으로 합니다. 이러한 기술은 스마트폰, 태블릿 및 TV의 선명한 화면을 지원하며 생생한 색상과 고해상도를 제공합니다.
• 증강 현실 및 가상 현실(AR/VR) 시스템: 또한 Photonics는 고속 발광 소스, 집적 광도파관 및 격자, 평면 광학 및 광학 센서가 결합되어 디지털 현실 및 물리적 현실을 원활하게 혼합할 수 있게 해주는 증강 현실 및 가상 현실 장치의 몰입형 환경을 지원합니다. 
• 재생 에너지원: 광전지를 활용하는 고효율 태양 전지판은 햇빛을 흡수하여 전기로 변환하고 화석 연료의 환경 영향을 완화합니다. 또한 LED는 효율적이고 지속 가능성이 높은 다용도 조명 솔루션을 제공합니다.
• 데이터 통신: 광자의 놀라운 속도와 광섬유의 최소한의 신호 손실은 장거리 통신에 획기적인 변화를 가져왔습니다. 실리콘 Photonics를 비롯한 Photonics 혁신 기술은 특히 데이터 센터 내에서 단거리 통신 링크의 환경을 변화시켰습니다. 오늘날 Photonics는 고속 인터넷의 중추를 이루며 원활한 비디오 스트리밍, 원격 회의 및 실시간 데이터 전송을 지원하고 있습니다.

• 속도: 광자보다 더 빠르게 이동하는 것은 없기 때문에 속도 중심 응용 분야에는 광펄스를 사용하여 정보를 전송하는 방법이 이상적입니다.
• 대역폭: 빛의 특성(넓은 주파수 범위, 다중 파장, 최소한의 간섭, 낮은 신호 손실) 덕분에 방대한 양의 정보를 한 번에 전송할 수 있습니다.
• 에너지: Photonics 기반 시스템은 일반적으로 장거리에서 최소한의 신호 손실만 발생하므로 에너지 효율이 매우 높습니다.
• 크기: 센서, microLED, 도파관 및 집적 회로와 같은 광전자 구성 요소는 초소형으로 만들 수 있으므로 다양한 기술의 물리적 공간을 최소화할 수 있습니다.

광학과 Photonics는 모두 빛의 물리적 특성과 응용 분야를 탐구합니다. 밀접하게 연관된 분야라서 가끔 경계가 모호할 때가 있습니다. 정확한 경계에 대해서는 논쟁이 있지만, 둘 다 일상 생활에서 중요한 역할을 한다는 것은 분명합니다.

광학 엔지니어는 빛의 전파 및 재료와의 상호 작용을 포함하는 거시적 규모의 시스템을 설계하여 거울, 렌즈 및 프리즘과 같은 필수 구성 요소를 만드는 전문가입니다. 이러한 설계는 가전 제품, 의료, 항공우주, 방위 시스템, 통신 등 다양한 산업의 응용 분야에서 활용됩니다. 이러한 응용 분야에서는 빛의 파동 특성이 미치는 영향이 최소 수준이거나 무시할 수 있는 정도입니다.

반대로 광전자 엔지니어는 빛의 파동성이 중요한 미시적 규모의 설계를 수행합니다. 이들이 탐구하는 하위 분야는 다음과 같습니다.

• 플라즈모닉: 향상된 센서 및 나노 단위 광학 설계를 위해 금속 표면에서 집단 전자 진동과 빛의 상호 작용을 탐구합니다.
• 나노포토닉스: 새로운 기능을 위해 나노 단위 크기에서 빛을 조작합니다.
• 광전자 공학: 전자와 광자의 상호 작용을 활용하는 소자에 중점을 둡니다.
• 섬유 광학: 고속 데이터 전송을 촉진합니다.
• 양자포토닉스: 컴퓨팅 및 통신의 분야에서 빛의 양자 특성을 탐구합니다.

Photonics는 비교적 신생 분야이지만, 기술이 발전하면서 더욱 강력하고 효율적인 빛의 조작이 가능해짐에 따라 Photonics의 영향력은 우리 삶의 더 많은 영역으로 계속 확대될 것입니다. 

• 20세기: 1960년대에 레이저가 발명되면서 Photonics라는 분야가 생겼습니다. 1980년대에 섬유 광학이 일반화되면서 "Photonics"라는 용어도 사용되었습니다.
• 2000년대 초반: 광결정으로 광학 장치를 소형화하고 레이저 효율을 높일 수 있었습니다. 나노 광전자학과 플라스모닉스가 등장했습니다.
• 2010년대: 실리콘 Photonics는 잘 구축된 전자 공정 설비 및 프로세스의 효율성을 활용하여 대중적인 실리콘 기판에 광전자 구성 요소를 통합하기 시작했습니다.
• 현재: Photonics 응용 분야의 가능성은 양자 광전자학 및 생명 광전자학 등 광범위하고 다양합니다.

성능 향상, 에너지 소비 감소 및 기능 범위의 확장에 대한 수요가 계속 증가함에 따라, 전력 소비가 낮은 기능의 조밀한 통합이 요구되는 점점 더 복잡한 시스템에 대한 필요성이 커지고 있습니다. 따라서 광산업은 에너지 효율적인 소형 통합 시스템의 개발을 추진하며, 전체 포토닉스 분야에 혁신을 촉발하고 있습니다.

• 소형화: 스마트폰 카메라, 광학 센서 및 마이크로 프로젝터와 같은 많은 응용 분야에는 무게와 크기에 대한 엄격한 제한이 있습니다. 마찬가지로, 스마트 안경, 피트니스 트래커 및 AR 헤드셋과 같은 웨어러블 장치는 모두 디스플레이, 센서 및 통신에 소형 광학 구성 요소를 사용합니다. 소형화된 광전자 시스템은 현장 의료 진단 및 의료 영상과 같은 생물 의학 시스템에서도 매우 중요합니다. 예를 들어, 랩온어칩(lab-on-a-chip) 장치는 광학 구성 요소를 통합하여 혈액 샘플을 분석하거나 생체지표를 검출할 수 있으므로 휴대성과 접근성이 좋은 의료 진단 장치를 지원합니다.
• 집적 회로: 광전자 집적 회로 산업은 증가하는 데이터 소비 습관을 충족하기 위한 혁신의 물결을 겪고 있습니다. Co-packaged optics(CPO) 및 광학 상호 연결은 데이터 센터 내에서 에너지 효율적인 고속 데이터 전송에 대한 증가하는 수요를 해결하여 지연 시간을 줄이고 대역폭을 개선하는 솔루션을 제공합니다.
• 인공 지능: 광전자 컴퓨팅과 인공 지능(AI)은 복잡한 작업에 필요한 더 빠르고 효율적인 계산을 제공하는 광전자 칩을 통해 처리 능력과 데이터 처리의 경계를 확장하고 있습니다. 양자 광전자학과 같은 새로운 분야는 양자 컴퓨팅, 암호화 및 보안 통신을 보장합니다.

진화한 Photonics 엔지니어링은 새로운 재료, 최첨단 이종 직접 기법, 3D-IC 통합 및 어셈블리, 고급 패키징 방법 및 최첨단 제조 기술을 총망라할 것입니다. 이러한 차세대 포토닉스 기반 솔루션을 엔지니어링하기 위해 엔지니어는 Ansys Optics 및 Photonics 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 광전자 구성 요소, 회로 및 시스템을 정확하게 모델링할 수 있습니다. 상호 운용성이 뛰어난 이 솔버는 광범위한 다중물리 및 다중규모 문제를 해결하여 Photonics 설계자가 경제 성장을 촉진하고 인류 발전을 촉진할 미래 기술을 개발할 수 있도록 지원합니다.

관련 리소스