전자기파 대역 개척의 마지막 심연이라 불리는 테라헤르츠(terahertz, THz)파는 적외선과 밀리미터파 사이에 위치한 0.1～10 THz 주파수 영역의 전자기파이다. 테라헤르츠파는 전파의 투과성과 광파의 직진성을 동시에 지니고 있어 독특한 물리적 특성을 보이며, 비금속이나 무극성 물질의 투과 특성 분석은 물론, 물질 고유의 스펙트럼을 활용한 분자 지문 분석에 적합하다.
우수한 테라헤르츠 기술은 소자 개발, 분광, 영상과 같은 기초과학 분야는 물론, 의공학, 보안, 환경·우주, 정보통신 등 다양한 응용과학 분야에서도 그 중요성이 이미 검증되었다. 현재 전 세계적으로 활발한 연구가 진행되고 있으나, 대부분이 여전히 실험실 수준에 머물러 있으며, 산업적 활용을 위해서는 해결해야 할 과제가 많다. 특히 테라헤르츠파의 높은 대비(contrast) 특성을 활용한 영상 기술, 물질 고유의 분자 지문을 분석하는 분광 기술, 그리고 초광대역 무선 통신을 가능케 하는 통신 기술은 미래 인간 중심 기술 패러다임의 핵심으로 자리 잡을 것으로 기대된다.
2000년대 이후 집중적인 연구개발이 이루어지면서, 실험실 수준에 머물던 테라헤르츠 기술은 비약적인 발전을 이루었고, 이제 본격적인 산업 적용 단계로 진입하고 있다. 그러나 현재 개발된 기술은 고가·대형화·활용 제한이라는 한계가 있어, 우선적으로 일부 제한된 응용 분야부터 채택될 것으로 예상된다. 그럼에도 불구하고, 테라헤르츠 기술의 주요 응용 분야인 영상, 분광, 통신에서 공통적으로 요구되는 초소형·저가격·다기능의 핵심 기술 수요가 급격히 증가하고 있다.
특히, 산업 현장에서 요구되는 정밀 품질 관리의 관점에서 테라헤르츠 기술은 기존 기술이 가진 한계를 극복할 수 있는 대안으로 주목받고 있다. 공정 결함 진단, 페인트를 포함한 물질 특성 분석 및 두께 측정 등은 산업 현장에서 즉시 활용 가능한 수준의 기술로 평가되며, 이에 대한 산업계의 요구가 끊임없이 제기되고 있다.
한국전자통신연구원 엑스선·테라헤르츠부품연구실은 “NRF 나노 및 소재기술개발사업”과 “ETRI 기본사업” 등 다양한 국가 연구개발 과제를 통해 테라헤르츠 광대역 검출기를 개발하였다. 최근에는 높은 균일도와 재현성을 갖춘 소자 제작뿐만 아니라, 산업 현장에서 안정적으로 활용할 수 있는 밀폐형 검출기 모듈 개발에도 성과를 내고 있다.
현재 확보한 테라헤르츠파 검출 특성과 대역폭은 공장 생산라인 로봇에 직접 탑재가 가능할 정도의 수준에 도달하였으며, 이를 통해 실시간 결함 조사가 가능한 단계에 이르렀다. 향후 테라헤르츠파 발생부와 결합하여 운용될 경우, 산업 현장에서 활용할 수 있는 테라헤르츠 비파괴 측정 시스템으로 발전할 것으로 기대된다.
본 기술의 특징은 2인치 InP 기판을 기준으로 높은 균일도와 재현성을 확보하기 위한 박막 및 소자 구조의 최적화에 있다. 성장 및 공정 과정에서 발생할 수 있는 불확도를 최소화하기 위해 공정을 표준화·획일화하였으며, 검출 소자와 광대역 안테나를 집적함으로써 부품 제작 시의 불확도를 줄였다. 또한 밀폐형 모듈로 제작함으로써 기계적 충격, 기계적 진동, 열적 충격 등 다양한 신뢰성 평가에서 우수한 특성을 확보하였다.
아울러 본 기술은 0.1~10 THz 범위의 전자기파를 활용하는 광대역 특성을 기반으로 영상, 분광, 통신 등 다양한 응용 분야에 적용이 가능하다. 소형화 및 집적화 설계를 통해 포터블 형태로 구현할 수 있으며, 저전력 구동이 가능하여 산업 현장에서 배터리 기반 운용도 가능하다. 또한 빠른 응답 속도를 바탕으로 공정 결함 진단, 보안 탐지, 의료 진단 등 실시간 응용에 적합하며, 시료를 손상시키지 않고 내부 구조, 성분, 두께 등을 분석할 수 있는 비파괴·비접촉 측정 기술이라는 점에서 차별성을 지닌다.
본 기술은 저비용·고효율 구현을 통해 보급성을 높이고 운용 비용을 절감할 수 있다. 특히 테라헤르츠파는 인체와 환경에 무해한 비이온화 전자기파이므로, 식품 및 의료 분야 등 안전성이 중요한 산업에서도 활용 가능하다. 더불어 농식품, 보안·군수, 통신, 반도체, 바이오·의료 등 다양한 산업 분야에 적용할 수 있어 범용성과 확장성이 높으며, 초소형·고성능·저가격 구현을 통해 글로벌 경쟁에서 차별화된 기술 우위를 확보할 수 있다. 나아가 원천 기술을 선도적으로 확보할 경우 국제 표준화와 시장 선점에도 기여할 수 있는 전략적 장점을 가진다.
광대역 테라헤르츠 검출기 칩 및 모듈 기술
응답도: 300 GHz에서 1000~2000 V/W
NEP: 1~100 pW/sqrt(Hz)
대역폭: 100~1000 GHz
- InGaAs 기반 테라헤르츠 검출기 박막구조 및 소자구조 제작 기술
- 광대역 안테나 집적형 테라헤르츠 검출기 10개 및 소자 200개 제공 및 관련 제작 기술
○ 농식품, 군수, 통신, 의료, 의약, 반도체 특성 측정을 포함한 비파괴 측정 등 다양한 응용 분야에서 요구되는 포터블, 무전압 구동, 광대역, 실시간, 저가격, 고기능 특성을 확보함으로써, 차별화된 전략을 통한 신산업 창출과 기존 산업의 경쟁력 강화가 가능하다. 구체적인 응용 분야와 활용 범위는 다음과 같다.
농식품 분야: 식품 품질 검사, 잔류 농약 검사, 농식품 신선도 및 당도 검사
보안 및 군수 분야: 감시 카메라, 화약 및 은닉 무기 탐지, 생화학 에이전트 실시간 검출
통신 분야: 광대역 무선 링크, 테라헤르츠 인터커넥션
첨단 재료 평가 분야: EL 디스플레이, 건축 자재, 반도체 및 태양광 박막 특성 평가, 페인트 두께 및 오일 순도 측정
바이오·의료·의약 분야: 비침습 분광 장치, 피부 진단 장치, 단백질/DNA 분석, 의약품 품질 관리
산업용 비파괴 측정 분야: 공정 결함 검출용 테라헤르츠 영상 기술, 산업용 두께 및 물질 특성 분석 기술
이와 같은 응용 분야는 산업 수요와 직접적으로 연계될 수 있으며, 핵심 부품 기술 개발이 이루어진다면 급격한 산업 확산이 가능한 영역이다. 현재 이 분야는 세계적인 경쟁이 치열하게 진행 중이며, 관련 원천 기술 확보가 산업적 주도권을 결정짓는 핵심 요인으로 작용하고 있다.