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초소형 테라 헤르츠파 프로브 개발 성공
- 펜 형 프로브에 의해 비파괴, 비접촉 검사, 측정이 비약적으로 향상 -
독립 행정법인 정보통신 연구 기구(이하, `NICT`)는 스택(Stack) 전자 주식회사와 공동으로 테라 헤르츠파(주 1)(지식리포터 주) 기술 분야에서 초소형 테라 헤르츠파 프로브의 개발에 세계에서 처음으로 성공하였다. 이 소형 프로브의 개발은 기존에 비해 테라 헤르츠파 검출 시스템의 대폭적인 소형화를 실현하였다. 이번 개발한 프로브의 실용화에 의해 지금까지 측정 환경이 정비된 실험실에서 행해지고 있던 측정으로부터 작업 현장에서의 측정이나 지금까지 측정을 할 수 없었던 장소에서 측정이 가능하게 된다. 게다가 소형화함으로써 측정하고 싶은 장소 근처에서 프로브 측정이 가능하기 때문에 불필요한 광학계를 사용하지 않아도 측정할 수 있어 공간 분해능(주 2)의 향상도 기대된다.
최근 비파괴, 비접촉 측정이 가능하고 인체에 대한 안전성의 관점에서 테라 헤르츠파를 이용했던 분광 기술(주 3)이 매우 주목받고 있다. 이 기술은 공항의 보안 검사, 우편물 검사, 일본 국내외의 문화유산 진단 등 여러 가지 용도에 이용되고 있다. 그러나 기존의 테라 헤르츠파 계측 시스템은 매우 대형이었기 때문에 측정의 자유도가 제한되고 있었다.
이번에 NICT는 전기 광학 샘플링법(주 4)에 근거한 초소형의 테라 헤르츠파 검출 시스템의 개발에 성공하였다. 기존 테라 헤르츠파 검출은 ‘공간 광학계’(주 5)를 이용하여 구성되어 있었기 때문에 매우 대형인 시스템이었다. 이번 개발한 테라 헤르츠파 검출 시스템은 ‘광섬유’를 기본으로 하여 광 통신에서 이용되는 소형 모듈 조립 기술을 채용함으로써 소형화를 실현하였다. 동시에 공간 광학계로 이용하는 밀러의 진동 등을 제거함으로써 고안정화를 가능하게 하였다. 특히 테라 헤르츠파를 감지하는 프로브는 직경 10mm, 길이 60mm의 초소형 펜형 형상을 채용하여 시판 제품과 비교하여 1/100 정도의 체적을 실현하였다. 또한 이번에 제작한 테라 헤르츠파 프로브는 기존 시판 제품 이상인 3 THz(테라 헤르츠)까지의 테라 헤르츠파를 검출할 수 있었다.
향후 보다 나은 센서의 고감도화, 광대역화를 실시하는 것과 동시에 이번에 개발된 초단펄스 광원(주 6)을 이용한 테라헤르츠 파원과 조합하는 것으로 테라 헤르츠 분광 시스템의 구축을 목표로 할 것이라 한다. 또한 이번에 개발한 테라 헤르츠파 프로브는 초소형이기 때문에 로봇 암에 탑재되거나 일렬로 다수 배열되어 리니어 어레이 센서(주 7)를 구성하는 등에 의해 원격 측정이나 광범위한 측정, 제조 라인에서의 검사 등 응용이 기대된다.
(주 1) 테라 헤르츠파
테라 헤르츠파는 대개 0.1~10THz(테라 헤르츠)의 주파수대의 전자파를 나타낸다. 그 파장은 3 mm~30 μm이며 전파와 빛의 경계에 위치한다. 테라 헤르츠는 1초간에 1조회(兆回) 진동하는 물결의 주파수, 10의 12승 헤르츠(1012 Hz)로 THz라고 기술한다. 테라 헤르츠파는 종이, 플라스틱, 섬유 등을 투과하고 많은 물질 고유의 흡수 스펙트럼이 테라 헤르츠 영역에 있기 때문에 X선보다 안전한 검사 장치로서 차세대의 재료 분광 분석 기술로서 주목받고 있다. 그러나 테라 헤르츠파는 지금까지 미개척 주파수대의 전자파로 불려 광원이나 센서를 구성하는 요소 기술의 확립은 다른 주파수대의 기술에 비해 발전 도상에 있다.
(주 2) 공간 분해능
2개의 점(물건)이 2개로 인식 가능한 거리를 나타낸다. 공간 분해능이 높을수록 측정 면의 상세한 정보를 얻을 수 있다.
(주 3) 분광 기술
재료에 빛(테라 헤르츠파)을 조사하여 투과한 빛의 주파수 성분을 분석하는 것으로 재료의 특성을 조사하는 기술로, 테라 헤르츠파의 영역에서는 이 기술을 이용함으로써 안료(顔料)나 화학물질, 약품 등의 재료 구분이 가능하게 된다.
(주 4) 전기 광학 샘플링법
전계가 가해지면 결정의 굴절률이 전계의 강도에 따라 변하는 결정(전기 광학 결정(EO 결정))을 이용하여 전계의 힘을 측정하는 방법으로 테라 헤르츠파와 빛을 동시에 EO 결정에 입사하면 테라 헤르츠파의 전계에 의해 빛의 진동 방향이 변한다. 진동 방향의 변화의 정도를 측정하는 것으로써 테라 헤르츠파의 전계의 강도를 측정할 수 있다.
(주 5) 공간 광학계
카메라와 같이 렌즈나 밀러 등을 이용하여 빛을 목적의 지점까지 전반(傳般)시키는 광학계.
(주 6) 초단펄스 광원
플래시와 같이 매우 짧은 시간만 빛나는 레이저광으로 주로 펨토초(펨토는 10의 마이너스 15승(10-15)) 이하의 시간 폭을 가지는 광펄스에 대해서 말한다.
(주 7) 리니어 어레이 센서
센서를 일렬로 배열한 것으로 단일 센서에 비해 횡방향의 정보도 얻을 수 있다. 대상물 또는 어레이 센서를 이동시키는 것으로 화상화할 수도 있다. 대표적인 것에 팩시밀리나 이미지 스캐너가 있다.
<참고자료 1> (상) 이번 개발한 초소형 테라 헤르츠파 프로브 / (하) 기존의 테라 헤르츠파의 검출계(적색 범위로 둘러싼 부분에서 테라 헤르츠파의 검출을 실시하고 있다.)
<참고자료 2> (상) 이번 개발한 초소형 테라 헤르츠파 프로브(직경 10 mm, 길이 60 mm의 펜형(1엔(円) 동전과 비교) / (하) 이번 개발한 테라 헤르츠파 검출 시스템(테라 헤르츠파 프로브와 검출기 유닛에 의해 구성되어 검출기 유닛에는 주로 광학 소자와 광 검출기가 내장되어 있다.)
<참고자료 3> (상) 이번 개발한 테라 헤르츠파 프로브의 구성(테라 헤르츠파 프로브에 테라 헤르츠파가 입사되면 전기 광학 효과에 의해 광펄스의 진동 방향이 변한다. 이 변화의 정도를 광 검출기로 측정하는 것으로써 테라 헤르츠파를 검출한다. / (하) 이번 개발한 테라 헤르츠파 프로브로 관측한 테라 헤르츠파 펄스(성능 시험용 테라 헤르츠 파원에서 방사된 테라 헤르츠파 펄스를 이번 개발한 테라 헤르츠파 프로브로 측정하였다. 왼쪽은 그 시간 파형을 나타내고 오른쪽은 주파수 분포를 나타낸다. 3 THz 부근까지 관측되고 있는 것을 알 수 있다.)
(지식리포터 주) 테라 헤르츠파
300기가 헤르츠에서 3테라 헤르츠 사이의 주파수를 갖는 전자기파이다. 파장은 1밀리미터에서 100마이크로미터 사이가 된다. 적외선이나 마이크로파처럼 테라 헤르츠파도 일직선으로 전파된다. 테라 헤르츠파는 비이온화 초밀리미터 마이크로파이고, 많은 종류의 비전도성 물질을 투과할 수 있다. 테라 헤르츠파는 의류, 종이, 판지, 나무, 석재, 플라스틱, 도자기, 구름, 안개를 투과할 수 있지만 금속, 물은 투과하지 못한다. 테라 헤르츠파는 비이온화 전자기파이므로 엑스선과는 달리 조직과 DNA에 손상을 입히지 않는다. 테라 헤르츠파의 일부 주파수 대역은 지방 조직과 같이 수분 함유량이 적은 조직을 수 밀리미터 정도 투과했다가 반사될 수 있다. 또한 테라 헤르츠파는 조직 안에서 수분 함유량 혹은 밀도 차이를 탐지해낼 수 있다. 테라 헤르츠파를 이용한 몇몇 기법을 사용하면 인체에 손상이나 고통을 주지 않고도 상피암을 효율적으로 탐지할 수 있다. 테라 헤르츠파의 일부 주파수 대역은 치아의 3차원 영상을 얻는 데 쓰일 수 있으며 기존의 엑스선 촬영에 비해 정교하고 안전한 장점이 있다.
테라헤르츠파는 섬유와 플라스틱을 투과할 수 있으므로, 무기 은닉을 탐지하는 등 보안 검색 등의 분야에서 활용될 수 있다. 특히 플라스틱 폭탄과 같은 물질들은 테라 헤르츠파 대역 내에서 탐지가 가능하므로, 테라 헤르츠파를 이용한 보안 기술에 많은 관심이 모이고 있다.
출처: KISTI 미리안 글로벌동향브리핑
원문: http://www.nict.go.jp/press/2012/09/24-1.html
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