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 품질 관리를 위해 기존 기술이 갖는 기술적 한계를 극복하고 기술의 산업 현장 채택에 따른 추가적 장애요소가 크지 않은 기술로 테라헤르츠 기술이 최근 주목되고 있다. 공정결함, 페인트를 포함한 물질의 특성 분석 및 두께 측정 등은 산업 현장에서 즉시 활용이 가능한 수준으로 적용 가능한 기술 개발에 대한 산업체로부터 끊임없는 요구가 있어왔다.
한국전자통신연구원 테라헤르츠원천연구실에서 연구추진중이거나 추진한 사업인 “ETRI창의연구실사업”, 미래부 ‘나노소재사업“ 및 공공복지안전산업, 산업통상자원부 영상분광 복합 스캐너 사업에서 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 개발에 성공했다. 현재 개발된 테라헤르츠파 출력, 대역폭 수준은 공장내 생산라인의 로봇에 장착 할 수준으로 작고, 실시간 결함 조사가 가능할 가능한 수준을 보이고 있어 테라헤르츠파 검출부와 함께 운용될 경우 산업 현장에 적용될 최초의 테라헤르츠 비파괴 측정 기술 적용 예가 될 것이다. 점차 심해지고 있는 관련 기술의 경쟁에서 우위를 점하기 위해 자체 개발한 포토닉스 기반의 테라헤르츠 비파괴 측정 분야 경쟁력 향상 및 열악한 테라헤르츠 기술 관련 국내 산업 경쟁력 강화를 목적으로 한다.
이미 상용화된 연속파 발생 테라헤르츠 분광시스템의 구성을 보였다. 두 개의 독립적인 튜너블 광원 및 증폭기를 사용 비팅광원을 구성하고 이로부터 테라헤르츠파 발생 및 검출시스템인 호모다인 시스템을 구성한다. 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.
본 기술이전 기술의 특징은 두 개의 독립적인 광원이 아니라 한 개의 공진기상에 두 개의 독립적인 광원을 한 개의 공진기로 집적화하고, 저가격 비팅광원 실현을 위해 마이크로 히터를 집적화하여 1 THz 수준의 매우 넓은 영역을 연속적으로 가변 할 수 있도록 이미 개발되었고 관련하여 다수의 우수논문 및 유명 학술회의 초청논문 등이 발표되었다. 본 기술이전에서는 이미 개발된 이중모드 반도체 레이저의 출력을 향상하고자 반도체 광증폭기 집적형 이중모드 반도체 및 고효율 광·전변환기인 광대역 안테나 집적형 포토믹서로 고출력의 테라헤르츠파 발생 모듈을 구성하는 것이다.
점차 다양해지고 복잡해지는 생산 제품의 품질관리 효율화를 위한 신개념의 기술들을 필요로 하고 있다. 전통적인 품질 관리용 비파괴 측정기술은 x-선 및 초음파 중심으로 이미 산업이 형성되어 있다. 하지만 기존 비파괴 측정기술을 산업 현장에 적용하기 위해서는 실시간, 안정성 확보, 비접촉 특성 확보가 필수적이다. 이의 일환으로 물질의 투과 특성이 매우우수하고, x-선에 비해 연질 이물 구분이 유리하고 무엇보다 매우 안전한 테라헤르츠파를 적용하고자 하는 노력들이 추진중이다. 본 기술이전에서는 최초 개발된 증폭기 집적형 비팅광원 및 고효율 포토믹서를 활용 초소형, 저가격, 다기능, 고효율 주파수 가변형 테라헤르츠파 발생 모듈을 기술의 특징으로 한다. 개발된 고효율 테라헤르츠파 발생 모듈과 상용화된 고감도 테라헤르츠파 검출기로 비파괴측정 시스템을 구축하였을 때 지금까지 경험하지 못한 신개념의 생산 공정 품질 관리 기술 제공으로 세계적인 기술 차별화가 가능할 것이다.
[내용]
비파괴 측정용 테라헤르츠파 발생기술
[범위]
기술명 : 비파괴 측정용 테라헤르츠파 발생기술
- 1.3㎛ 발진 반도체 광증폭기 집적형 이중모드 반도체 레이저 모듈 3개 및 칩 20개 제공 및 관련 제작 기술
- 1.3㎛ 동작 광대역 안테나 집적형 포토믹서 모듈 3개 및 칩 20개 제공 및 관련 제작 기술
※ 기술전수 기간 동안 기술이전 기관의 전담 인력이 한국전자통신연구원 테라헤르츠원천연구실에 파견되어
이전기술에 대한 교육 및 실습을 받아야함.
○ 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