YAG의 특징과 종류 및 용도

YAG(Yttrium Aluminium Garnet), 야그는 합성 결정 물질로 독특한 광학적, 물리적 특성으로 인하여 레이저 매질, 인조 보석, 섬광검출기 등의 광학 소재로 사용되는 결정체 화합물입니다. 어원은 이트륨, 알루미늄, 가넷의 머리글자를 따서 만들어진 약어입니다. 1960년대 후반에 벨 연구소의 과학자들에 의해 레이저 재료로 처음 발견되었습니다. 오늘은 YAG의 특징과 종류 및 용도 등에 관하여 알아보겠습니다.

 

 

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YAG의 특징

• 높은 경도와 내구성 : 모스 경도 8.25로 기계적 강도가 뛰어나고 손상에 강합니다.
• 높은 융점 : 고온에서도 안정적인 특징을 유지합니다.
• 넓은 투과율 범위 : 자외선부터 적외선 영역까지 넓은 파장의 빛을 잘 투과시킵니다.
• 우수한 광학적 균질성 : 레이저 매질로 사용될 때 균일한 빔 품질을 얻을 수 있습니다.
• 낮은 열팽창 계수 : 온도 변화에 따른 크기 변화가 적어 안정적인 광학 시스템 구축에 유리합니다.
• 비복굴절성 : 빛이 결정 내에서 복굴절 되지 않아 특정 광학 응용 분야에 중요합니다.
• 투명도 및 결정계 : 투명(착색 가능), 등축정계

 

 

YAG의 종류

YAG 결정에 특정 희토류 원소 이온을 도핑하여 다양한 파장의 레이저를 발생시킬 수 있습니다. YAG는 순수한 상태에서는 무색입니다. 그렇지만 YAG에 특정 원소를 도핑하면 색상을 나타낼 수 있습니다.

• 네오디뮴 야그(Ng:YAG) : 가장 일반적인 YAG 레이저로, 1064nm 파장의 근적외선 레이저를 방출합니다. 높은 효율을 가지며, 다양한 산업, 의료, 과학 분야에 활용됩니다. 주로 레이저 매질로 사용되며, 분홍색 또는 보라색을 나타냅니다.
• 어븀 야그(Er:YAG) : 2940nm 파장의 중적외선 레이저를 방출합니다. 물에 대한 흡수율이 매우 높아 피부 박피, 치과 치료 등 의료 분야에 주로 사용됩니다.
• 홀뮴 야그(Ho:YAG) : 약 2100nm 파장의 적외선 레이저를 방출합니다. 의료 분야에서 연조직 절개, 지혈 등에 사용됩니다.
• 이터븀 야그(Yb:YAG) : 약 1030nm 파장의 근적외선 레이저를 방출하며, 높은 효율과 안정성으로 고출력 레이저 시스템에 적합합니다.
• 툴륨 야그(Tm:YAG) : 약 2010nm 파장의 적외선 레이저를 방출하며, 의료분야에서 사용됩니다.
• 세륨 야그(Ce:YAG) : 백색 LED 등에 형광체로 사용되며, 노란색을 띠며 주얼리로도 사용됩니다.
• 색상 : 크롬, 어븀, 홀뮴을 YAG에 도핑하면 녹색, 적색 등의 다양한 색상을 만들 수 있습니다.

 

 

YAG의 용도

• 레이저 발진 매질 : 다양한 활성 이온이 도핑된 YAG 결정은 산업용 절단 및 용접, 의료 수술 및 피부 치료, 과학 연구, 군사 목적 등 광범위한 분야에서 레이저 광원으로 활용됩니다.
• 광학 부품 : 렌즈 및 보호 창, 기판의 광학 코팅, 백색 LED의 형광체 등으로 활용됩니다.
• 고온 환경 코팅 : 높은 내열성으로 인해, 고온 공정 설비의 열 차폐 코팅 재료로 사용되기도 합니다.
• 반도체 장비 부품 : 높은 경도와 내화학성으로 인하여 반도체 식각 장비 등의 부품으로 사용됩니다.
• 보석으로 활용 : 순수한 YAG는 대체 다이아몬드로, 그리고 YAG에 특정 희토류 원소를 첨가(도핑)하여 다양한 색상을 내어서 보석으로 활용됩니다.

 

 

다이아몬드 유사석과 보석으로의 YAG의 활용

YAG는 천연에는 존재하지 않는 인공적으로 합성된 물질이지만, 뛰어난 광학적 특성과 높은 경도로 인해 보석으로 널리 이용됩니다.

 

다이아몬드 유사석 YAG

• 무색 YAG : 순수한 YAG는 무색으로 굴절률과 분산도가 다이아몬드와 유사하여 오랫동안 다이아몬드 대체재로 인기를 누렸습니다. 특히 광택이 뛰어나고 모스 경도가 8.25 높아서 스크래치에 강하다는 장점이 있습니다.
• 유색 YAG : 특정 희토류 원소를 YAG 결정에 첨가(도핑)하면 다양한 색상의 YAG 보석을 만들 수 있습니다. 예를 들면, 네오디뮴(Nd)을 첨가하면 보라색이나 분홍색, 세륨(Ce)을 첨가하면 노란색, 크롬(Cr)을 첨가하면 녹색의 YAG를 얻을 수 있습니다. 이러한 과정을 통해 천연 유색 보석을 모방하거나 독특한 색상의 주얼리를 제작할 수 있습니다.
• 독특한 디자인의 주얼리 : YAG는 다양한 색상으로 합성이 가능하고, 비교적 가공이 용이하여, 독특하고 개성 있는 디자인의 주얼리 제작에 활용됩니다. 천연 보석에서는 보기 힘든 밝고 선명한 색상의 YAG는 현대적인 감각의 주얼리 디자인에 잘 어울립니다.

 

 

YAG의 인공적 합성 제조 기술

YAG 결정 제조 기술은 주로 미국, 일본, 중국, 러시아 등의 국가에서 발달했으며, 관련 기업들이 고품질의 YAG 결정을 생산하고 있습니다. 아래는 YAG 결정 제조 기술의 종류입니다.

• 초크랄스키법(Czochralski process) : 고온으로 녹인 원료 용융액에서 씨앗 결정을 서서히 끌어올리면서 단결정을 성장시키는 방법입니다. 고품질의 대형 YAG 결정을 얻을 수 있어서 레이저 매질 제조에 주로 사용됩니다.
• 브리지먼법(Bridgman method) : 밀폐된 용기 안에서 원료를 녹인 후 천천히 냉각시켜 단결정을 성장시키는 방법입니다.
• 열수법(Hydrothermal method) : 고온 고압의 수용액 조건에서 결정을 성장시키는 방법입니다.

 

 

지금까지 YAG(야그)에 관하여 알아보았습니다.