포토닉스 기반 테라헤르츠 기술
분야
hwp 테라헤르츠 대역은?
테라헤르츠 대역은 많은 응용 가능성을 가지고 있는 마지막 미개척의 주파수 영역이며, 이 주파수 자원을 이용하기 위한 노력들이 세계 각지에서 경주되고 있다. 그 태동에서 현재에 이르는, 약 20년에 이르는 기간 동안 대학을 비롯한 소규모의 몇몇 그룹에서 그 연구를 주도해 왔으나, 최근 몇 년에 걸쳐 광범위한 분야에 높은 수준의 역량을 가진 대규모 연구그룹들을 중심으로 실용화에 가까운 연구결과들이 발표되고 있다. 최근에는 영국의 Teraview, 독일의 Toptica, 미국의 Zomega, Advantest와 같은 민간 기업에서도 상용 시스템을 개발하였고, 이미 많은 응용사례들이 축적되고 있다. 날이갈수록 증가하는 통신 수요와 산업, 의료 기술에의 응용가능성은 테라헤르츠 기술개발의 중요한 동인이었으며, 아직도 현재 진행형이다.
테라헤르츠파 사용
테라헤르츠파는 X-선과는 달리 에너지가 매우 낮아인체에 위해가 없으며, 식품 속에 들어갈 수 있는 벌레나 고무재질 등과 같은 이물질을 찾아내는 데도 X-선에 비해 큰 장점을 가지고 있다. 또한, 테라헤르츠파는 공항, 우편물 취급소, 지하철 등과 같은 공공장소에서 보안 체크용 투시기로도 사용될 수 있다. 그러나, 이러한 목적을 달성하기 위해서는 실시간이면서 1차원 또는 2차원 어레이 형태의 고밀도 테라헤르츠 영상용 검출기소자가 필요하게 되는데, 전 세계적으로 테라헤르츠 대역에서 사용할 수 있는 실시간 고밀도 검출기는 124×124 파이로 일렉트릭(pyroelectric) 어레이 카메라, 4.3TH
z 에서 동작하는 320×240 마이크로 볼로미터(microbolometer), 0.7THz-1.1THz 대역에서 동작하는 32×32 CMOS 검출기, 250GHz에서 동작하는 1×20 InGaAs 쇼트
키 다이오드 검출기 등이 있다. 이중에서 In
GaAs 쇼트키 다이오드 검출기는 검출 시 바이어스를 인가하지 않기 때문에 낮은 소비전력을 가지는 장점을 가지고 있으며, 200×20
0 μm2 크기를 가진 square-spiral 안테나 사용으로 어레이 크기가 작기 때문에 소형의 테라헤르츠 이미지 스캐너에 적용 가능성이 < 오징어 - 테라헤르츠파 투시 결과 >
높은 소자로 지목되고 있다. 더욱이 쇼트키 다이오드의 기생 정전용량을 줄이기 위해 일반적으로 도입하는 air-bridge 구조 대신에 평면형 구조의 사용으로 어레이 제작 시 균일도가 향상되어 대규모 고밀도 어레이 칩을 구현하는 것이 가능하게 되었다. 다음 그림은 최근 한국전자통신연구원에서 개발한 실시간 대면적 SBD(Schottky Barrier Diode) 어레이 검출기 및 이를 이용한 테라헤르츠파 투시 결과이다. Squarespiral 안테나가 각 픽셀마다 집적되어 있고, 240 픽셀이 0.5mm 간격으로 하나의 라인에 일렬로 연속으로 있으며, 스캔 라인 길이(총 검출 가능 길이)는 12cm이다. 쇼트키 다이오드 어레이 칩의 평균 응답도는 98V/ W@250GHz이며, 평균 NEP(Noise Equivalent Power)는 106pW/√Hz, 최대 검출 가능 주파수는 630GHz로 측정되었다. 평균 응답도가 비교적 낮은 이유는 squarespiral 광대역 안테나를 사용하였기 때문인데, 이 안테나 대신에 horn 공진 안테나를 사용할 경우에 응답도는 높아질 수 있으나 소형의 어레이 검출기로 구현하기에는 부적합한 구조이다. 이 외에도 square-spiral 광대역 안테나는 안테나 방사 편광 특성이 원편광이기 때문에 테라헤르츠 파원의 편광에 따른 영향을 받지 않으며 방사각이 ±30도 이내이기 때문에 인근 픽셀에 대한 크로스톡(crosstalk)이 작은 장점을 가지고 있다. 1×240 SBD 어레이 검출기를 이용하여 테라헤르츠 영상 획득 측정 결과, X-선 투시기에서는 검출이 되지 않는 연질의 오징어에 대한 영상과, 에이스 크래커 밑에 숨겨져 있는 이물질(금속 링/클립)에 대한 검출이 가능하다고 보고되었다.
향후 동향
테라헤르츠 기술이 독보적으로 충족시킬 수 있는 기술적 수요와, 최근 들어서 더욱 가속화된 발전속도를 감안할 때, 그 기술의 적용범위가 가까운 시일 안에 산업계 전반으로 확대될 가능성은 매우 높아 보인다. 테라헤르츠파 발생기의 출력은 향후 수년 안에 수 mW급으로 발전할 것으로 예측되며, 이에 발맞추어 수신기의 성능도 현저한 개선이 있을 것이다. 이러한 소자의 성능 개선은 필연적으로 그동안 가능성으로만 회자되던 많은 응용 기술의 구현으로 이어지게 되고, 소형, 저가격의 부품, 모듈 및 어레이 기술은 기존 전자업계에서 부품이 차지하는 만큼의 중요성을 갖게 될 것이다. 국내에서는 한국전자통신연구원의 THz포토닉스창의 연구센터가 해당 분야의 후발주자로써 소재에서부터 시스템에 이르는 테라헤르츠 기술의 전 분야를 망라한 연구를 수행해 왔으며, 현 시점에서는 독일의 HHI(Heinrich Hertz Institude), 일본의 NTT 등과 함께 테라헤르츠 기술의 선두주자로 자리매김하였다. 향후의 연구는 광 소자, RF 소자 기술, 모듈 및 시스템 기술 전반을 총망라하는 종합적인 형태로 진행될 것이며, 이를 위한 보다 높은 차원의 국가적 역량 집중이 또한 절실한 시점이다. < Thz 무선 인터커넥션의 개념도 >