전자기파 대역 개척에서 가장 심연이라 할 수 있는 테라헤르츠(terahertz, THz)파는 적외선과 밀리미터파 사이에 존재하는 0.1～10 THz 주파수 영역의 전자기파이다. 전파의 투과성과 광파의 직진성을 동시에 가지고 있어 독특한 물리적 특성을 보이는 테라헤르츠파는, 비금속이나 무극성 물질의 투과 특성 또는 물질마다 고유한 특성을 드러내는 분자지문 분석에 적합한 전자기파이다.
우수하고 실용적인 테라헤르츠파 기술은, 소자 개발, 분광, 영상 기술 등의 기초 과학 분야는 물론, 의공학, 보안, 환경/우주, 정보통신 등의 다양한 응용과학 분야에서 이미 그 중요성이 검증되었고, 매우 다양하고 광범위한 연구들이 진행되고 있지만, 아직 그 대부분이 실험실 수준에 머물고 있어, 여전히 해결해야 할 수많은 과제들을 가지고 있다. 특히, 테라헤르츠파의 높은 대비(contrast) 특성을 활용한 영상기술이나, 고유 분자지문 분석을 위한 테라헤르츠 분광기술, 그리고 테라헤르츠파를 활용한 초광대역 무선 통신 기술 등은, 미래 기술 패러다임의 핵심이 될 인간중심 기술의 제공을 가능케 할 것이다. 지난 2000년부터 진행된 집중적인 연구개발 추진의 결과로 실험실 수준에 머물러 있던 테라헤르츠 기술의 비약적 발전에 힘입어 본격적인 산업 활용이 예상되고 있다. 매우 다양한 기술들이 개발 상용화 되고 있으나 개발된 기술이 여전히 고가이고, 크기가 크고, 활용에 제한적인 특성으로 일부 제한적인 응용영역부터 테라헤르츠 기술의 채택이 진행될 것이다. 무엇보다도 테라헤르츠 기술의 주요 응용영역인 영상, 분광, 통신 분야에 공통적으로 활용이 가능하고 테라헤르츠 기술 확산의 핵심인 초소형, 저가격, 다기능의 테라헤르츠 핵심기술 수요가 급격히 증가하고 있다.
다양하고 복잡한 생산 제품의 품질 관리를 위해 기존 기술이 갖는 기술적 한계를 극복하고 기술의 산업 현장 채택에 따른 추가적 장애요소가 크지 않은 기술로 테라헤르츠 기술이 최근 주목되고 있다. 테라헤르츠 주요 응용영역인 영상, 분광, 통신에서 산업 현장에서 빈번히 발생하는 생산 제품의 결함 검출에서 타 기술들이 제공하지 못하는 차별화된 기능 제공이 가능한 테라헤르츠 영상 기술 수요가 급격히 증가하고 있는 실정이다. 타 비파괴 검사 기술이 해결하지 못하는 제품 속 결함들을 실시간으로 검출할 수 있는 고성능, 저가격, 초소형의 2차원 테라헤르츠 영상 기술 개발에 관한 것으로 산업체로부터 끊임없는 요구가 있어왔다. 지금까지 시제 성격의 개발된 테라헤르츠 카메라 기술은 대부분 독립적인 외부 파원 사용이 필수적으로 투과 및 반사형 구성에 매우 제한적이고 무엇보다 1억에 육박하는 높은 가격은 활용에 큰 걸림돌이 되고 있다. 본 기술이전은 고속 폴리곤 방식으로 크기, 가격, 성능 모두를 만족하는 신개념의 2차원 영상시스템에 관한 것으로 마이크로파, 밀리미터파, 테라헤르츠파, 중적외선 등 다양한 영상시스템에 적용이 가능한 구조로 그 활용도가 매우 높은 것이 차별화된 장점이라 할 수 있다.
한국전자통신연구원 테라헤르츠창의원천연구실에서 연구추진중이거나 추진한 사업인 “ETRI창의연구실사업”, 미래부 ‘나노소재사업“, 산업통상자원부 ”영상분광 복합 스캐너 사업“ 에서 공통적으로 소요되는 튜너블 테라헤르츠파 발생용 비팅광원에 관한 원천기술을 최초 개발하였으며, 최근 고출력 비팅광원 개발과 더불어 높은 광전 변환 효율 확보가 가능한 안테나 집적형 광대역 포토믹서, 광대역 테라헤르츠파 검출기 개발에 성공했다. 현재 개발된 테라헤르츠파 출력, 감도, 대역폭 수준은 공장내 생산라인의 로봇에 장착 할 수준으로 작고, 실시간 결함 조사가 가능하고 무엇보다 저가격 실현이 가능한 차별화된 장점을 보이고 있다. 산업 현장에서 요구되는 초소형, 다기능, 저가격 특성을 제공할 수 있는 광대역의 테라헤르츠파 발생 및 검출부, 고속 스캐너, f-theta렌즈로 구성되는 고속 2차원 영상시스템은 산업 현장의 제품 결함 검색, 공간정보 추출, 분광시스템 등 매우 광범위하게 활용이 가능한 장점을 갖고 있다. 다양한 파원 채택에 따라 매우 다양한 영역에서 사용은 물론이고 래스터(raster) 고속 스캔 방식 채택으로 현재의 약한 파원 출력 및 낮은 감도를 극복 가능하여 일정기간 이상 산업 확산을 주도할 것으로 예상된다. 고속 스캐너로 현재까지 잘 알려진 갈바노미터 스캐너 경우 크기, 성능, 속도, 가격 등에서 산업 수요에 대응하기에는 아직까지 제한적이다. 매우 가벼워 안전하고 고속 스캔이 가능한 2차원 영상시스템 기술은 산업현장에서 빈번히 발생하는 휴먼에러를 실시간 검출이 가능할 것으로 예상된다. 무엇보다도 매우 작은 크기, 성능, 가격 경쟁력은 생산 시설의 로봇에 탑재하기 매우 유리하고 환경 변화에 무관하게 작동하여 기존 비파괴 검사 기술이 제공하지 못하는 차별화된 기능 제공이 가능할 것이다. 전 세계적으로 산업 현장 진입이 가능한 테라헤르츠 기술 개발 경쟁이 매우 치열하게 진행되고 있는 시점에서 경쟁력 있는 2차원 영상시스템 자체 개발은 대규모 생산라인이 집적화된 국내 생산 환경에서 테라헤르츠 기술 도입에 따른 품질 향상 결과를 유도할 수 있어 관련 국가 산업 경쟁력 강화의 핵심으로 자리 잡을 것으로 예상된다.
최근들어 테라헤르츠 기술의 산업적 응용을 위해 초소형, 저가격, 고출력의 주파수 가변 테라헤르츠파 발생 및 고감도 테라헤르츠파 검출 기술에 대한 비약적인 발전이 진행되고 있다. 시간 도메인 테라헤르츠 분광시스템과 큰 차이가 없지만 소형화, 가격적인 면에서 많은 관심을 끄는 주파수 도메인 테라헤르츠 분광시스템을 그림1에 보였다.
주파수 도메인 및 시영역 테라헤르츠 분광시스템에서는 발생된 테라헤르츠파의 위상 및 진폭을 동시에 측정할 수 있다는 장점을 갖는 호모다인 법을 활용하여 매우 정밀한 분광 특성 측정에 활용되어 왔다. 그림 1과 같은 호모다인 검출법은 실험실 수준에서 매우 정확하고 우수한 특성 제공이 가능하나 환경 변화가 큰 산업 현장 적용에서 활용하기에는 많은 어려움이 있다. 이를 근본적으로 해소하기 위해서 검출 방식을 호모다인 법에서 직접 검출 방식으로 변경하여 시스템을 구성함으로써 비교적 외부 환경 변화에 둔감한 시스템 개발이 가능하다. 본 기술이전의 핵심인 2차원 고속 영상획득을 위해서는 앞서 언급한 래스터 스캔 방식이 낮은 출력 및 감도를 극복할 수 있는 핵심기술로 인식된다. 무엇보다 중요한 스캐너 개발에 기존 갈바노 미러 형태가 아닌 매우 가볍고 제작이 용이한 단일 폴리곤 미러 기반의 고속 스캐너 기술 개발을 개발하여 그 동안 테라헤르츠 기술의 산업 적용 확산에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 판단된다.
기존 단일 발생 및 검출 소자를 이용하여 구현된 2차원 이미징 시스템의 경우, 고속 라인 스캔을 위해 갈바노미터를 사용하였으며, 이 때 최대 폭 스캔(+10˚ ~ -10˚) 20Hz로 이미지화하여 400x400픽셀2 8x8cm2 영역을 스캔하는데 소요되는 시간이 20초의 시간이 소요되어 생산라인 적용에는 많은 어려움이 있었다. 이외에도 높은 분해능 획득을 위해서는 입사 테라헤르츠 크기가 어느 정도 보장되어야 하나 속도에 민감한 갈바노 미러 크기에 따른 속도가 현저히 떨어진다는 점과 이상적인 f-theta 렌즈 설계에 많은 어려움이 예상된다는 점이다. 산업현장에서 요구되는 이미지 스캔 속도는 약 2초로, 이를 구현하기 위해서는 약 200Hz의 스캔 속도 이상이 요구되고 파장이 기존 광 스캐너에 비해 1000배 이상 긴 파장 대역에서 원활히 활용하기 위해서는 신개념의 스캐너 기술 개발이 요구된다. 따라서, 단일 폴리곤 구조를 2개의 모터로 고속 회전 및 틸팅시켜 대상물을 고속으로 스캔 할 수 있는 스캐너를 개발하여 기존의 갈바노미터 스캐너를 대체하였으며, 이를 이용하여 고속 2차원 반사 이미징 시스템을 구현하였다.
단일 폴리곤 미러를 사용한 2차원 고속 이미징 기술
- 폴리곤 미러 설계 및 제작 기술을 포함하는 스캐너 설계 기술
- 고속 모터 지터 보정을 위한 클락 추출 설계 및 제작 기술
- 테라헤르츠 영상시스템 및 구동 기술
○ 농식품, 군수, 통신, 의료, 의약, 반도체 특성 측정을 포함하는 비파괴측정 등 매우 다양한 응용분야의 핵심 수요기술인 포터블, 저전력구동, 광대역, 실시간, 저가격, 고기능 특성 확보를 통한 차별화 전략으로 관련 신산업 창출 및 기산업 경쟁력 확보가 가능함. 구체적인 응용분야 및 활용범위는
?농식품분야: 식품품질 검사, 잔류농약검사, 농식품 신선도 및 당도검사
?보안 및 군수응용분야: 감시카메라, 화약, 은익무기, 생화학 agent등 실시간 검출
?통신응용분야: 광대역 무선링크 및 테라헤르츠 인터커넥션 분야 이외에도 광통신용 파장가변 광원 활용분야
?첨단재료평가분야: EL디스플레이, 주택건자재, 반도체평가, 태양광박막 특성평가
페인트 두께 측정, 오일 순도 측정 등
?바이오, 의료, 의약 분야: 비침습 분광장치, 피부 진단장치, 단백질/DNA, 약제품질관리 등이 있으며 이외에도 매우 다양한 응용기술들이 개발될 수 있음
?산업용 비파괴측정 기술: 산업용 경합 검출용 테라헤르츠 영상기술, 산업용 두께 및 물질 특성 분석 기술 등에 직접적인 활용이 예상되고 산업 수요에 대응 할 수 있는 핵심 부품 기술이 개발된다면 급격한 산업 형성이 가능한 기술로 관련 핵심 기술 개발에 세계적인 경쟁이 진행중임