반도체 산업의 발전은 '진공관(Vacuum Tube)'을 대신할 다이오드(Diode)'와 '트랜지스터(Transistor)'를 발명함으로써 저전력·소형화에 성공하였기 때문이다. '집적회로(IC: Integrated Circuit)'의 발명으로 이를 집적화하여 대량 생산이 가능하고 제품 제작을 용이하게 함으로써, 제품 가격을 낮출 수 있게 되었다.
이와 마찬가지로 '가스 레이저(Gas Laser)'를 대신할 '반도체 레이저(Semiconductor Laser)'의 발명은 광통신의 핵심 부품인 '광원(Light source)'의 저전력·소형화를 실현시킴으로써 '광통신(Optical Communication)' 시대를 열게 하였다. '반도체 레이저(Semiconductor Laser)'의 발명으로 저전력·소형화에는 성공하였으나, 고가인 광통신 부품은 본격적인 광통신 시대 실현에 걸림돌이 되었다. 이에 반도체 주역인 'IC 칩(IC Chip)'처럼, 저전력이며, 집적화가 가능하고, 대량 생산이 용이하여, 가격이 저렴한 '광 부품(Optical Element)'에 대한 필요성이 높아지게 되었다. 이런 이유로 광 부품 중 핵심 기술인 '광원(Light source)'에 있어서 '수직 캐비티 표면 광방출 레이저(VSCEL: Vertical Cavity Surface Emitting Laser)'가 점차 주목 받기 시작하였다.
0. 목차
- 'VCSEL'이란?
- 'VCSEL'의 다양한 응용 분야
- 'VCSEL'의 구조 및 특징
- 'VCSEL' 공정 기술
- 'VCSEL' 파장 대역별 기술
- 'VCSEL' 기술 발전 방향
- 'VCSEL' 관련 기업
1. 'VCSEL'이란?
통상 '빅셀(VCSEL)'로 불리는 'VSCE 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)'는 반도체 표면에서 '레이저 빔(Laser Beam)'을 방출하는 형태의 반도체 레이저 '레이저 다이오드(Laser Diode)'로, '전자(Electron)'과 '정공(Hole)'이 재결합할 때의 광방출 현상을 응용한 반도체 광원의 한 종류이다. '다이오드(Diode)'는 2개의 단자를 갖는 전자 부품으로써, 한쪽에 낮은 저항을 다른 쪽에 높은 저항을 둬 전류가 한쪽으로만 흐를 수 있게 하는 물질이다.
최초의 VCSEL은 1979년 일본의 '소다(Soda Haruhisa)' 등이 제안한 것으로, 활성 영역에 '갈륨 인듐 비소(GaInAsP)', '인화 인듐(InP)' 재료를 사용하여 제조되었으며 1300nm 파장의 레이저 빔이 방출되었다. 실온에서 연속적으로 작동하는 VCSEL 기기는 850nm 파장 대역으로, 1988년에 '코야마 후미호(Koyama Fumio)' 등이 최초로 제작에 성공하였다. 이후 '벨 연구소(Bell Lab)'의 '악셀 슈어러(Axel Scherer)'와 '잭 주웰(Jack Jewel)'이 반도체를 이용한 VCSEL을 발명하였다.
VCSEL은 '발광 다이오드(LED: Light Emitting Diode)'와 같이 반도체 기판의 표면에 수직한 방향으로 빛을 방출하는 표면 발광 구조를 가지고 있다. '발광 다이오드(LED)'의 구조 특성상, 다른 반도체 부품과의 집적화에 유리하고 '제조 공정' 및 '패키지 과정'에서 장점을 가지고 있다. VCSEL은 '작은 크기의 공진기' 및 '활성 영역에 따른 낮은 문턱 전류'를 가지며, 낮은 전류에서의 고속 동작이 가능하여 초고속 변조에 유리한 장점이 있다. '공진기(Resonator)'란 공진 현상을 이용하여 특정 주파수의 파동이나 진동을 끌어내기 위한 장치로, 주로 전자파나 전기진동에 대한 '공진(Resonance)'을 일으키는 장치를 의미한다. '문턱 전류(Threshold Current)'는 반도체 활성 영역의 '이득(Gain)'이 레이저 빔의 발생 조건을 만족할 수 있는 기준 전류를 말한다. 이런 장점 때문에 VCSEL은 '기가비트 이더넷(Giga bit Ethernet)'이나 '파이버 채널(Fibre Channel)'과 같은 단거리 광통신 분야에서 폭넓게 사용되어 왔다.
VCSEL 중에서 가장 먼저 상용화된 것은 850nm 파장 대역의 소자이다. 850nm VCSEL은 그 장점으로 인하여 '측면 방출 레이저(EEL: Edge Emitting Laser)'의 시장을 잠식하며 건물 내 데이터 전송용으로 성공적으로 사용하고 있으며, 850nm VCSEL 기반의 통신이 표준으로 정의되어 있기도 하다. 한국 기업에서도 850nm 대역의 VCSEL 기판 및 소자를 제작하기도 하고, 이러한 소자를 이용한 다양한 모듈을 만들어 상품화하고 있다. 1992년 이래로 980nm, 780nm 등 다양한 파장의 VCSEL도 사용화되었으며, 최근에는 가시광 대역의 VCSEL에 대한 연구도 이루어지고 있다.
2. 'VCSEL'의 다양한 응용 분야
'수직 캐비티 표면 광방출 레이저(VCSEL)'은 방출하는 레이저 빔의 파장 대역에 따라 '광통신(Optical communication)', '광전자 기기(Optoelectronic device)', '광학 센싱(Optical Sensing)', '3차원 센싱(3D Sensing)' 등 다양한 분야에서 활용이 가능하다. 하지만 현재까지는 850nm 또는 940nmdml VCSEL이 주로 '광학 통신(Optical Communication)' 또는 '광학 센싱(Optical Sensing)' 어플리케이션에 사용되고 있다. VCSEL은 원형의 레이저 빔을 방출하므로, 광섬유와의 결합에 최적화되어 있어 데이터 광통신 분야에서 활발하게 응용되고 있다. 또한 '광마우스의 광원', '고휘도 조명' 등으로 활용되기도 한다.
VCSEL '칩(Chip)' 또는 '어레이(Array)'에서 '레이저 빔(Laser Beam)'이 방출되는 면적은 '데이터 통신(Data communication)' 및 '근접 감지(Proximity Detection)' 어플리케이션의 경우 0.1mm2미만에서 '라이다 어플리케이션(LiDar Application)'의 경우 70mm2 이상까지 다양하게 형성되며, 방출되는 빛의 파워 또한 작게는 3mW에서 최대는 40W 이상까지 넓게 분포한다.
2-1. 데이터 통신(Data Communication)
VCSEL은 '발광 다이오드(LED: Light Emitting Diode)'나 '측면 방출 레이저(EEL: Edge Emitting Laser)' 등의 타 광원에 비해 원형에 가까운 레이저 빔을 생성할 수 있다. 또한 '광 집중도'가 높고, 반도체 집적에 유리한 특성을 이용해, 광통신 '데이터 링크(Data Link)'의 핵심소자로 활용되어 왔다. '데이터 통신(Data Communication)'은 최초로 VCSEL이 산업적으로 응용된 분야이다.
VCSEL은 '측면 방출 레이저(EEL)'에 비해 낮은 소비전력과 경쟁력 있는 가격으로 인해, '데이터 센터(Data Center)'에서 선호되어 왔다. VCSEL은 약 100ps 단위까지 빛의 방출 간격을 조절할 수 있어, 고속 변조에 적합하며 넓은 대역폭으로 통신을 구현할 수 있다. 그러나 EEL 대비 출력되는 레이저 빔의 파워가 낮아 주로 근거리 통신용으로 제한적으로 사용된다. VCSEL 생산량은 2000년대 인터넷의 폭발적 성장과 함게 급증하였으며, 그 이후로 통신용 VCSEL을 중심으로 꾸준한 성장을 보이고 있다.
2-2. 센싱(Sensing)
최근 '스마트폰', '자율주행차(Self-Driving Car)'를 중심으로 3차원 영상 정보를 수집하기 위한 '센서(Sensor)' 도입이 증가하고 있다. 이에 따라 '스마트폰'과 '자율주행차'의 환경인식에 사용되는 '라이다(LiDar)', 'ToF 카메라(Time of Flight Camera)'와 같은 '3차원 센서(3D Sensor)'의 광원으로도 채택되는 등, 최근 들어 산업용·소비재용 레이저 시장에서도 각광받고 있다. '라이다(LiDar)'는 고출력의 펄스레이저를 이용하여 물체에 반사되어 돌아오는 레이저 빔의 시간을 측정함으로써, 거리 정보를 획득하는 기술이다. 'ToF(Time of Flight)'는 펄스가 발사된 기준 시점과 측정 대상물에서 반사되어 되돌아온 펄스의 검출 시간차를 통해 거리를 측정하는 기술이다.
VCSEL은 '저전력', '단일 광파장', '높은 복사 휘도', '낮은 빔 확산도', '패키징 유연성' 등의 장점을 바탕으로 다양한 센서의 광원으로 채택되고 있다. 매우 좁은 대역폭의 레이저를 높은 안정도로 방사할 수 있어, 빔의 검출이 쉬운 점에 착안하여 근접 및 출입 감지 센서에 적용되고 있다. VCSEL 레이저 빔의 높은 출력 집중도를 이용하여, '출력광(Output Light)'과 '입사광(Incident Light)' 간의 감쇄 효과를 기반으로, 공기 중의 특성 가스량이나 혼합물의 혼탁도를 측정하기 위한 '센서(Sensor)'에도 활용된다. 출력 파장 대역이 매우 협소하여, '위상차(Phase Difference)' 측정에 유리하여 '간섭계(Interferometer)'나 '도플러 효과(Doppler effect)'를 이용한 '동작 센서(Motion Sensor)' 등에도 활용된다. '레이저 프린터', '광 마우스'와 같은 일부 새로운 VCSEL 응용 분야도 등장했지만 강력한 성장 동력은 아니였다.
기존에 '데이터 통신(Datacom)'이라는 전문 영역에서 광원으로 사용되던 VCSEL은 현재는 일반 사용자도 쉽게 접할 수 있는 '3차원 센싱 어플리케이션(3D Sensing Application)' 시대에 접어들고 있다. '데이터 통신'에서 VCSEL을 처음 사용한지 거의 20년이 지난 2014년에서야 VCSEL은 센싱 어플리케이션으로도 응용되기 시작하였다.
- 스마트폰: VCSEL은 '자동 초점(AF: Autofocus)' 및 '근접 감지(Proximity Sensing)' 어플리케이션에 통합되어 스마트폰에 처음 탑재되었으며, '애플(Apple)'이 2017년에 얼굴 인식 모듈 '페이스 아이디(Face ID)'용 VCSEL을 탑재한 아이폰 X를 출시하고 양산을 시작하면서, 센싱 어플리케이션으로서의 VCSEL 활용이 크게 증가하였다. '아이폰 X'는 '근접 센서'와 '페이스 아이디(Face ID)' 모듈 용도의 3개의 서로 다른 VCSEL 다이를 통합하여 '3차원 센싱' 기능을 구현하였다.
- 자동차: 자동차 업계에서도 차량 내부의 운전자 및 승객 모니터링을 위한 '3차원 센서(3D Sensor)' 도입이 빠르게 진행되고 있다.
2-3. 그 외
VCSEL 기반의 '구조광 카메라(Structured Light Camera)'와 'ToF 카메라(Time of Flight Camera)'가 크게 각광을 받고 있다. 이에 3차원 센서 이후에도 VCSEL은 '라이다(Lidar)' 또는 '가스 센서(Gas Sensor)'와 같은 다른 응용 분야에서 새로운 성장 동력을 찾을 수 있을 것으로 보인다. 아울러 향후 '투자', '신규 진입', '인수 합병'의 형태로 VCSEL 산업에도 급속한 발전을 가져올 것이다.
3. 'VCSEL'의 구조 및 특징
'수직 캐비티 표면 광방출 레이저(VCSEL)'의 구조는 '전계 발광(EEL: Electroluminescent)'보다 더 복잡한데, 이는 서로 다른 굴절률의 재료층을 이용하여 하단에는 전체 거울을, 상단에 부분 거울을 갖는 '브래그 반사경(DBR: Distributed Bragg Reflectors)'을 생성하기 위하여 최대 40개의 p형 및 n형 재료의 '에피택시(Epitaxy)' 층과 다양한 광학 재료를 사용하기 때문이다. '에피택시(Epitaxy)'란 하나의 결정체에 규칙적으로 일정하게 배열된 결정 성장으로, '애피택시얼 성장(Epitaxial Growth)'라고도 한다.
3-1. 반도체 광원별 특성 비교
VCSEL은 'LED', 'EEL' 등 타 반도체 광원에 비해 출력 측면에서 약점이 있다. 그러나 광 집중도가 높고, 1차원 및 2차원 '배열(Array)' 형태로의 구성이 용이하며 '저전력(Low Power)', '저비용(Low Cost)', '고수율(High Yield)'을 달성할 수 있는 장점을 나타내어 '광 변조(Optical Modulation)' 기반의 통신 혹은 센싱 목적으로의 활용도가 높은 광원이다.
| 구분 | VCSEL | EEL | LED |
| 출력 | 좋음 | 매우 좋음 | 나쁨 |
| 전력변환 효율 | 35% 이상 | 45% 이상 | 25% 이하 |
| 빔 확산도 | ~17(원형) | 11~40˚(타원형) | 180˚(원형) |
| 파장 안정도 | 0.07nm/℃ | 0.3nm/℃ | 0.3nm/℃ |
| 펄스 주기 | 수 ns | 수 ns | 10~100 ns |
| 패키징 | 저비용 표면 실장형 | 복잡함, 상대적으로 대형 | 저비용 표면 실장형 |
3-2. VCSEL 패키지
VCSEL은 '발광 다이오드(LED: Light Emitting DIode)'와 유사하게 '표면실장 기기(SMD: Surface Mount Device)' 형태로 실장하여 패키징하거나, 'TO-46 패키지' 형태로 패키징 할 수 있다. 'TO-46 패키지'는 반도체 장치를 위한 일종의 '금속 캔' 패키지로, 습기 및 오염 물질과 같은 환경 요인으로부터 장치를 보호하기 위해 밀폐되어 있으며, 리드 수가 적은 트랜지스터 및 집적 회로 하우징에 주로 사용된다.
'VCSEL 어레이(VCSEL Array)'는 광학 요소가 있는 '패키지(Package)'에 밀봉되어 있는 것이 일반적이다.
4. 'VCSEL' 공정 기술
VCSEL은 '반도체 레이저(Semiconductor Laser)'의 한 종류로, 기본적으로 p-n 접합 구조를 가진 '다이오드(Diode)'이다. 반도체 활성 영역의 양면에 굴절률 차가 큰 두 박막을 교대로 반복 증착한 '브래그 반사경(DBR: Distributed Bragg Reflectors)' 및 'p형 전극', 'n형 전극'을 증착한 형태로 구성된다. 전극을 통해 p-n 접합에 순방향으로 전류가 주입되면, 활성 영역에서 '전자-정공 재결합'을 통해 빛이 방출되며, 양면의 '브래그 반사경(DBR)'에서 반사를 반복하면서 증폭되어 기판 표면에 수직한 방향으로 빛을 방사한다.
'갈륨비소(GaAs)' 반도체 기판을 기반으로 근적외선 영역대인 850nm 파장의 출력광을 갖는 구조가 가장 먼저 상용화되었으며, 850nm 이상의 장파장 레이저 생성을 위해 '갈륨비소(GaAs)' 기판 외에도 '인화 인듐(InP)' 기판, 두 방식의 융합 기판 등 다양한 구조들이 개발되고 있다.
4-1. 대표적인 VCSEL의 구조
VCSEL은 양성자로 전류 주입을 제한하는 건식 식각을 기본으로 하는 '메사 시각(Mesa Etching)' 방식 VCSEL, '양성자 주입(Proton Implantation)' 방식 VCSEL, 레이저 박막 구조층을 습식 산화시키는 '선택적 산화막(Selective Oxidation)' 방식 VCSEL 등 4가지 유형의 구조가 통용되고 있다.
- '메사 시각(Mesa Etching)' 방식: 초기 VCSEL은 '단순 메사 식각(Simple Mesa Etching)' 방식으로 제작된 '에어 포스트 구조'를 사용했다. 그러나 '단순 메사 식각(Simple Mesa Etching)' 방식은 '광학 필드'의 '산란 손실'을 일으키고, 활성 영역이 공기에 노출되면 신뢰성 문제를 일으킬 수 있다. 그래서 식각된 메사 주변의 반절연 반도체 재료를 재성장시키는 '재성장된 매립형 메사(Regrown Buried Mesa)' 방식으로 발전하였다.
- '양성자 주입(Proton Implantation)' 방식: '양성자 주입(Proton Implantation)' 방식은 뛰어난 생산성과 신뢰성을 가진 상업용 VCSEL을 제조하는 데 사용된 최초의 방법이다.
- '선택적 산화막(Selective Oxidation)' 방식: '선택적 산화막(Selective Oxidation)' 방식은 '캐비티'의 '광학 손실'은 줄이고, VCSEL 성능을 향상시킬 수 있는 특성을 가진다.
4-2. VCSEL 레이저 방출 방식
VCSEL은 제작 방식과 구조에 따라, 빛의 방출 방향이 '상단' 또는 '하단'으로 나뉘며, 그에 따라 방출광의 파장이 달라진다.
- 상단 방출형: '상단 방출형'은 공기 중으로 바로 빛을 방출하는 방식으로, 주로 800nm 대의 레이저 빔을 형성한다.
- 하단 방출형: '하단 방출형'은 투명 물질을 거쳐 레이저 빔을 방출하는 방식으로, 열 냉각에 효율적이 구조이며, 900nm 및 1000nm 대역의 레이저 빔을 방사한다.
5. 'VCSEL' 파장 대역별 기술
| VCSEL 파장 대역별 기술 | 용도 |
| 근적외선 VCSEL 기술 | 근거리 센서용 |
| 위치 검출 통신용 | |
| 장파장 VCSEL 기술 | 고속 장거리 광통신용 |
| 가시광 VCSEL 기술 | 조명용 |
| 디스플레이용 |
5-1. 근적외선 VCSEL 기술
가장 먼저 상용화된 근적외선 파장 대역의 VCSEL은 850nm 대역이다. 화합물 반도체 '결정성장법(Crystal Epitaxy)'을 이용하여 '갈륨비소(GaAs)' 반도체 기판 위에 전체 VCSEL의 구조를 성장하고, 주로 '양성자 주입(Proton Implantation)' 방식으로 활성 영역에만 전류를 흘려주도록 하는 제작 공정으로 만들어진다. 다양한 응용 분야에서 세계의 여러 업체들에서 850nm VCSEL을 공급하고 있고 상용화된 상태이다. 통신용으로는 2.5Gbps급의 소자와 10Gbps급의 고속 소자가 상용 제품으로 유통되고 있다.
'광 인터넷 포럼(OIF: The Optical Internet Working Forum)'에서는 OIF-VSR-01.0OC-192를 통해서 850nm VCSEL 기반 표준을 정의하고 있고, 이것은 SONET 프로토콜을 이용한 기지국 내의 네트워크 장비 간의 데이터 통신에 대한 것이다. 또한 '레이저 다이오드 모듈' 기반 광통신에 대한 국제 표준인 IEEE P802.3bs에서는 50Gbits/s의 전송량을 가진 8채널 VCSEL 어레이 형태의 송신기를 기반으로, 모듈의 통신량을 최대 400Gbit/s로 정의하고 있기도 하다. 그러나 '장파장 VCSEL' 제품의 보급이 본격화되면서 통신용 '근적외선 VCSEL'의 시장은 건물 내 근거리 통신의 용도가 주가 되고 있다.
VCSEL은 여러 가지 모듈로 개발이 되어 있다. 센서 등의 응용 분야도 시장을 확대하여, '광마우스(Optical Mouse)' 등의 위치 검출용 센서로도 활용되고 있다. '3차원 센싱 모듈'과 같은 VCSEL 기반의 '위치 검출 센서(Position Detection Sensor)' 성능은 강렬하거나 어두운 주변광에 따라 크게 영향을 받는다. 주변광의 영향을 줄이려면 800nm~1000nm 대역의 근적외선 광원이 필요하다. 850nm VCSEL은 감시 또는 야간 탐지에 널리 활용되지만, 사람의 눈에는 불편함을 불편함을 주기 대문에, '위치 검출 센서'의 광원으로는 940nm VCSEL이 주로 채택된다.
5-2. 장파장 VCSEL 기술
장파장 VCSEL에서 출력되는 빛의 파장은 '단일 모드 광섬유(Single Mode Fiber)'와 연결하여 근거리·장거리 통신에 사용되는 1310nm와 1550nm 대역에 있다. 장파장 VCSEL은 특별한 소자 구조가 기술적인 우위에 있지 않고, 여러 가지 구조가 시장 개척을 위해 치열히 경쟁하면서 상용화되었다.
VCSEL은 기존에는 건물 내의 데이터 통신 용도로 사용되는 것이 대부분이었지만, 1310nm VCSEL이 상용화되면 '단일 모드 광섬유(Single Mode Fiber)'와 연결되어 '메트로(Metro)' 용도로 20km 이내의 신호 전송에 채택되고 있다. 850nm VCSEL의 성공을 기반으로 장파장 VCSEL도 통신용 광원 시장에서 '측면 방출 레이저(EEL: Edge Emitting Laser)'의 역할을 조금씩 대체해 가고 있다.
장파장 VCSEL은 세계적으로 여러 가지 구조들이 서로 경쟁하고 있는데, 크게 'GaAs 반도체 기판에 결정 성장된 소자', 'InP 반도체 기판 위에 결정 성장된 소자', 그리고 '활성층은 InP 기판에서 반사경은 GaAs 기판에서 각각 결정 성장하고 서로 기판 대 기판 접합을 하여 얻은 소자' 등으로 구분된다.
5-3. 가시광 VCSEL 기술
'가시광(Visible Light)' 영역의 VCSEL은 다시 크게 3가지로 나뉘는데, '적색 파장 대역의 VCSEL', '청색 파장 대역의 VCSEL', '녹색 파장 대역의 VCSEL'이 그것이다.
- 적색 파장 대역의 VCSEL: 적색 VCSL의 경우, GaAs 기판 위에 결정 성장되는 활성 매질인 InGap/InAlGap 물질층을 이용한 소자에 대해서 미국 공군연구소 등에서 많은 연구를 수행하였고, 좋은 성능을 보고하였다. 2006년에 '옵토웰'사가 고온 구동 적색 VCSEL을 세계 최초로 상용화 한 바 있다.
- 청색 파장 대역의 VCSEL: GaN/InGaN 활성 매질을 포함하는 청색 VCSEL은 '사파이어 기판'과 'GaN 기판' 등에서 시도되어 왔다. 2012년 미국 캘리포니아 대학 사타바바라 캠퍼스는 최초로 무극성 질화물 반도체 VCSEL을 개발했다고 밝혔는데, 질화물 반도체 물질에서 VCSEL을 제조함으로써 짧은 파장의 소자를 얻을 수 있는 원리이다. 청색 VCSEL은 '망막 주사 디스플레이', '아답티브 전조등', '초고속 가시광 통신 광원' 등의 차세대 광원으로의 응용이 기대되고 있다.
- 녹색 파장 대역의 VCSEL: 일본의 '소니(Sony)"는 2019년 GaInN 기판에 곡면 거울 하단 반사경을 적용하여, 임계값이 낮은 445nm 청색 VCSEL을 생산한 바 있다. 또 2020년에는 곡면 거울 VCSEL 공정을 515~518nm 녹색 파장으로 확장하였다. 열 관리를 위해 GaN의 더 높은 열전도율을 활용하려면, 기존의 '브래그 반사경(DBR)'에 비해 더 긴 캐비티 길이가 필요한데, 곡면 거울은 회절 효과의 감소를 통해 더 긴 캐비티 길이를 만들 수 있다.
6. 'VCSEL' 기술 발전 방향
VCSEL의 스마트폰 탑재 사례가 증가하면서, '모바일 어플리케이션(Mobile Application)'을 위한 최적화 기술에 개발 역량이 집중될 것으로 전망된다. 스마트폰의 한정된 공간 안에서 충분한 광량과 넓은 조사 영역을 확보하기 위해 'VCSEL 소자', '디퓨저(Diffuser)', '렌즈(Lens)' 등의 광학 구조를 일체화하는 기술이 주목을 받고 있다. 또한 '자연광(Natural Light)'에 의한 간섭을 최소화하면서도 '촬상 소자(Image Pickup Device)'인 CMOS에서의 '수광(Light-Interception)'에 불리하지 않도록 940nm 대역의 레이저 빔을 방출하는 VCSEL의 수요가 증가할 것으로 전망된다. 'CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)'는 집적 회로의 한 종류로, '마이크로프로세서(Microprocessor)', '메모리(Memory)', '촬상 소자(Imaging Device)' 등의 디지털 회로를 구성하는 데에 이용된다.
한편, VCSEL의 적용 분야가 '광통신' 중심에서 '모바일' 및 '3차원 센서(3D Sensor)' 어플리케이션으로 이동하면서, 생산성 및 수율 확보를 위한 VCSEL의 제작 공정에 변화가 진행되고 있다. 광통신 모듈은 약 0.1mm2, 라이다 모듈은 약 70mm2 내외의 VCSEL 어레이를 주로 사용하고 있어 동일한 공정 내의 생산이 불가능하며, '라이다 모듈(LiDar Module)'과 같은 대형 VCSEL 어레이의 수율 확보를 위해서는 6인치 '웨이퍼(Wafer)' 이상의 공정이 필요하다.
6인치 웨이퍼 공정은 기존의 3~4인치 웨이퍼 기반 공정에 비해 '에피택시 공정(Epitaxy Process)'에서의 균일한 두께 유지가 어려우며, 두께의 차이가 곧 '레이저 빔(Laser Beam)'의 파장 오차로 연결되므로, 관련 기술에 대한 연구 개발에 초점이 맞추어지고 있다. '에피택시' 수율이 전체 VCSEL 제조 수율에 결정적인 영향을 미치게 되므로, 'MOCVD 장비' 및 '계측 장비'가 VCSEL 기술 개발의 핵심이 되고 있다. '유기 금속 화학 증착법(MOCVD: Metla Organic Chemical Vapor Depostion)'은 화학 반응을 이용하여, 기판 상에 금속 산화막을 형성하는 박망 형성법이다.
7. 'VCSEL' 관련 기업
VCSEL 수요가 급증함에 따라 '종합 반도체 제조사(IDM: Intergrated Device Manufacturer)', '에피웨이어 제조사(Epi House)', '반도체 위탁생산 전문회사(Foundry)', '반도체 설계 전문회사(Fabless)', '반도체 장비 및 재료 공급사' 등 여러 분야에서 VCSEL에 관심을 가지기 시작하였다.
'ams', 'Finisar', 'Broadcom', 'Lumentum' 등 글로벌 대형업체들이 VCSEL 시장에 참여하고 있으며, 제조 공정이 유사하여 기술적인 유사성을 보이는 LED 산업에서도 다수의 기업이 VCSEL 시장에 진입하려는 움직임을 보이고 있다. 실제로 2016년부터 'ams의 Princeton Optronics 인수', 'Osram의 Vixar 인수'와 같은 다수의 M&A 사례와, 생산시설 확충 및 공급망 강화를 위한 '애플(Apple)'의 Finisar에 대한 3.9억 달러 투자 등 다수의 투자 사례가 확인된다.
국내 VCSEL 관련 업체로는 'LG이노텍', '서울반도체', '옵티시스', '옵토웰', '옵토웨이', '레이아이알' 등이 있으나, 규모나 기술 수준 측며에서 해외 업체 대비 열위에 있다. VCSEL 소자를 상용화하여 제조·판매 중인 업체는 '옵토웰'과 '옵토웨이' 뿐이며, '레이아이알'은 VCSEL 제조를 위한 에피웨이퍼를 제조하는 사업을, 그 외 업체들은 VCSEL 응용과 유통에 초첨을 맞춘 사업을 영위하고 있다.
7-1. ams
- 국적: 오스트리아
- 설립: 1981년
ams AG는 오스트리아에 본사를 둔 다국적 센서 제조업체로, '모바일', '통신', '산업', '의료', '자동차' 등 다양한 분야에 걸쳐 '센서 솔루션(Sensor Solution)'을 공급하고 있다. ams는 스마트하고 안전하며 사용하기 편리한 환경친화적인 '센서 솔루션'을 제공하는 것을 목표로 하고 있다. ams의 센서 솔루션은 '스마트폰'과 '모바일 기기'부터 '스마트 홈(Smart Home)', '스마트 빌딩(Smart Building)', '산업 자동화(Industrial Automation)', '의료 기술(Medical Technology)', '커넥티드 카(Connected Car)' 등에 이르기까지 산업 전반에 적용된다.
ams는 2019년 'Ibeo Automotive Systems', 'ZF Friedrchschafen' 등과 함께 VCSEL 기반의 차량용 Solid-State LiDAR 기술 공동 개발 협력을 체결하였다. AMS는 2019년 12월, 44억 유로를 들여 글로벌 조명 업체인 '오스람(Osram)'의 지분 60%를 확보했다.
7-2. 피니사(Finisar)
- 국적: 미국
- 설립: 1988년
'피니사 코퍼레이션(FInisar Corporation)'은 '광통신(Optical Communication)' 전문업체로, 미국 캘리포니아에 본사를 두고 있다. Finisar는 2008년 Optium Corporation과 합병하였으며, 2018년에는 미국의 광학 물질 및 반도체 제조기업이 '투식스(II-VI)'에 인수되었다. FInisar는 '네트워킹(Networking)', '스토리지(Storage)', '무선·케이블 TV 어플리케이션'을 위한 '고속 음성', '비디오 및 데이터 통신'을 가능하게 하는 '광섬유 서브시스템(Fiber Optic Subsystem)' 및 '구성 요소' 전문 기업이다. '광학 송수신기(Optical Transceiver)', '능동형 광 케이블(Active Optical Cable)', '광학 부품(Optical Components)', '광 증폭기(Optical Amplifier)' 등 고속 음성 및 영상 통신에 특화된 제품을 제공하고 있다.
'피니사(FInisar)'는 '애플(Apple)'로부터 VCSEL의 대량 생산을 위한 3억 9000만 달러 규모의 기술 개발 투자 계약을 체결하고, 2017년 10월에 설비를 인수해 개발을 시작하였다.
7-3. 브로드컴(Broadcom)
- 국적: 미국
'브로드컴(Broadcom)'은 1961년 Hewlett-Packard의 반도체 부문에서 독립한 Avago Technologies가 2016년 Broadcom Corporation을 인수하면서 설립된 반도체 제조업체로, 미국 캘리포니아에 본사를 두고 있다. Broadcom은 유무선 통신용 반도체 및 기반 시설 소프트웨어와 관련된 설계·개발·제조 등 다양한 분야의 사업을 영위하고 있다.
'브로드컴(Broadcom)'은 850nm 파장 대역의 싱글채널 및 멀티채널 10Gb/s, 25Gb/s 급 VCSEL 제품 라인을 보유하고 있으며, 50Gb/s 급 제품에 대한 기술 개발도 완료하였다.
7-4. 루멘텀(Lumentum)
- 국적: 미국
- 설립: 2015년
Lumentum Operations LLC는 미국 캘리포니아에 본사를 둔 광학 제품 전문 업체로, '광통신 부품(Optical Communication Components)'과 '광 다이오드(Photodiode)' 제조·판매 사업을 영위하고 있다. Lumentum은 '광통신 시스템(Optical Communication System)'과 '상용 레이저' 및 '레이저 다이오드(Laser Diode)'와 관련된 다양한 제품군을 보유하고 있다.
'라이다(LiDar)'와 '차량 내부 모니터링'을 위한 940nm 파장의 VCSEL이 Lumentum의 주력 제품이며, 그 외에도 800nm~1000nm 파장 대역의 VCSEL 제품 라인을 보유하고 있다. Lumentum은 2015년 11월, 대만의 반도체 파운드리 업체 '윈 세미컨덕터(Win Semiconductors)'와 협력하여 스마트폰에 탑재할 수 있는 형태의 VCSEL 개발을 시작하였고, 개발을 시작한 지 21개월 만인 2017년 3분기에 '애플(Apple)'로부터 3억 달러 규모의 VCSEL 주문을 수주한 바 있다.
7-5. LG이노텍
- 국적: 한국
'LG이노텍'은 종합 전자부품 제조사로, 1976년 '금성정밀공업'으로 설립되어, 2000년에 'LG이노텍'으로 사명을 변경하였다. 2009년에는 'LG마이크론'과 합병하였다. 'LG 이노텍'은 '모바일 광학 솔루션', '기판 소재', '자동차 전장부품', 'LED' 등의 제조·판매 사업을 영위하고 있으며, 2022년 매출액 기준 글로벌 '카메라 모듈(Camera Module)' 시장 1위 기업이다. LG이노텍은 '애플(Apple)'의 아이폰에 탑재되는 VCSEL 기반 얼굴 인식 모듈 '페이스 아이디(Face ID)'의 제조사로, VCSEL 소자와 회절장치 등 광학 부품 간의 접합 기술을 보유하고 있다.
7-6. 옵토웰(Optowell)
- 국적: 한국
- 설립: 2000년
'옵토웰(Optowell)'은 전자부품 및 전자 통신부품 제조업체로, '옵토웨이(Optoway)'와 함께 국내에서는 유이하게 VCSEL 소자를 제조하고 있다. '옵토웰'은 VCSEL의 '갈륨비소(GaAs)' 기판 위에 결정을 성장시키고, VCSEL 소자를 제작하는 것까지 모두 자체적으로 수행한다. 850nm 파장 대역의 VCSEL 제품과 수광 소자인 '포토다이오드(Photodiode)', 홈 네트워크용 650nm 가시광 'RCLED(Resonant-Cavity Light Emitting Diodes)'가 '옵토웰'의 주 생산품목이며, '센서(Sensor)' 및 '광통신 어플리케이션용 제품' 라인을 보유하고 있다.
7-7. 옵토웨이(Optoway)
- 국적: 한국
- 설립: 2000년
'옵토웨이(Optoway)'는 '반도체 레이저' 개발·판매·제조 전문 기업으로, 광통신용 및 정밀 센서용 VCSEL과 조명용 LED를 주력 제품으로 하고 있다. '옵토웨이'는 VCSEL의 '갈륨비소(GaAs)' 기판 위에 '결정 성장'과 '소자 제작'까지를 모두 수행할 수 있는 기술력을 확보하였따. VCSEL 설계·제조 기술을 기반으로 '광링크용 칩', '정밀 광센서용 투패키지' 등은 물론, 광통신용으로 적합한 'FTTH(Fiber-To-The-Home)'에 적합한 광수신용 모듈에 이르기까지 VCSEL 관련 제품군을 갖추고 있다.
7-8. 레이아이알(RayIR)
- 국적: 한국
- 설립: 2007년
'레이아이알(RayIR)'은 '에피웨이퍼(Epitaxial Wafer)' 생산 전문 기업이다. '에피웨이퍼(Epitaxial Wafer)'는 반도체의 생산에 사용하는 것으로, '레이아이알(RayIR)'은 VCSEL용 에피웨이어를 안정적인 수율로 대량 생산할 수 있는 공정을 확보하였다. '레이아이알(RayIR)'의 에피웨이퍼 생산 공정은 웨이퍼 '식각 공정(Etching Process)' 전에, 웨이퍼를 만드는 단계부터 빛이 통과할 구멍을 만든 뒤 불필요한 부분을 산화하는 방법이다. 산화가 진행되다가 미리 만들어 둔 구멍에 다다르면 저절로 멈추기 때문에 품질 좋은 웨이퍼를 만들 수 있는 장점이 있다.
7-9. 에스오에스랩(SOS Lab)
- 국적: 한국
- 설립: 2016년
'에스오에스랩(SOS Lab)'은 2016년 설립된 '라이다(Lidar)' 개발 전문 스타트업 기업이다. '신호 처리 알고리즘'과 '광학 설계' 기술뿐만 아니라, '라이다(Lidar)' 내의 핵심 부품인 'VCSEL', 'MEMS' 등의 자체 설계 기술을 보유하고 제품을 개발하고 있다. 'MEMS(Micro Electro Mechanical System)'는 '나노기술(Nano Technology)'을 이용해 제작되는 매우 작은 기계를 의미한다. CES2020에서는 칩 형태의 고정형 라이다 ML-1을 선보인 바 있다.
7-10. 서울반도체
- 국적: 한국
'서울반도체'는 2018년 2월, VCSEL 제조 기술 보유 업체인 '레이칸(RayCan)'을 인수하면서 차세대 VCSEL 제품 개발에 참여하기 시작하였다. '레이칸(RayCan)'은 '한국전자통신연구원(ETRI: Electronics and Telecommunications Research Institute)' 출신 연구원들이 설립한 기업으로 850nm, 1310nm, 1550nm, 780nm, 1060nm 파장 대역의 광통신용 VCSEL과 1310nm 대역의 'RCLED(Resonant-Cavity Light Emitting Diodes)'를 개발한 바 있다.
7-11. 옵티시스(Opticis)
- 국적: 한국
- 설립: 1999년
'옵티시스(Opticis)'는 영상 신호용 '디지털 광링크(Digital Optical Link)' 제조 전문 기업이다. '광소자(Optical Element)' 및 관련 부품 응용 분야에서 풍부한 기술적 경험을 바탕으로 다양한 산업에서 수요가 급증하고 있는 '고속 비디오 오디오 신호 전송 및 제어'를 위해 '광링크 분배기(Optical Link Splitter)', '스위치 매트릭스(Switch Matrix)' 등의 솔루션을 제공한다. '옵티시스'는 850nm 'VCSEL 어레이(VCSEL Array)'와 '광 검출기 소자(Photodetector Element)'를 이용한 개인용 컴퓨터 광신호 연결 제품군인 'Digital Graphic Interconnection', 'Optical USB Extension' 및 'VCSEL 트랜시버(VCSEL Transceiver)' 등의 제품군을 보유하고 있다.