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천조분의 일 안정성 가진 6G 테라헤르츠파 생성 기술 개발
차세대 6G 무선통신, 양자 분광 기술, 나아가 군용 레이더 기술을 실현하고, 6G 통신 기기 간 주파수 표준으로 이용될 수 있는 넓은 대역의 테라헤르츠파* 응용 기술이 개발되어 획기적인 성능 향상을 가져올 것으로 예상된다.
*테라헤르츠파(THz): 밀리미터파와 광파 사이(100기가헤르츠(GHz) ~ 3테라헤르츠(THz))에 해당하는 전자기파
우리 대학 기계공학과 김승우, 김영진 교수 공동연구팀이 차세대 6G 이동통신 대역으로 알려진 테라헤르츠 대역에서 세계 최고 수준의 안정도를 가지는 초안정 테라헤르츠파 생성 원천기술을 개발했다고 3일 밝혔다.
차세대 테라헤르츠파 기술을 선점/선도하기 위해서는, 핵심 테라헤르츠 소자들에 대한 개발, 평가 및 선점이 필수적이다. 하지만, 테라헤르츠 전송, 변조 및 검출 소자들에 대한 평가를 수행할 수 있는, 초안정 표준급 테라헤르츠 신호 생성에 어려움이 있어, 이러한 핵심 소자들에 대한 접근에 지금까지 제한이 존재해 왔다.
기존의 테라헤르츠파 생성 방식은 상대적으로 낮은 주파수 안정도를 가지는 마이크로파 원자시계에 기반한 것으로, 최근 개발된 광 시계와 비교하여서는 수천 배 이상 낮은 안정도를 보여 왔다.
이를 극복하기 위해, 연구팀에서는 천조분의 일(1/1,000,000,000,000,000)의 안정도를 가지는 매우 정밀한 광주파수 대역의 시간 표준을 안정화하는 펨토초 레이저 광빗*으로부터 두 개의 레이저를 추출/합성해 테라헤르츠파를 생성했다. 이 과정에서 연구팀은 다양한 잡음을 면밀히 분석하고, 광빗의 우수한 안정도를 유지하기 위해 잡음 보상/제어 기술을 개발했다. 이후, 광빗의 넓은 대역폭 특성을 활용하여 테라헤르츠파를 생성했으며, 전대역에서 시간 표준 수준의 안정도(천조분의 일)를 가지는 것을 실험적으로 검증했다. 이는 세계 최고 수준의 광 시계 안정도를 테라헤르츠 대역에서도 새로이 실현할 수 있음을 의미한다.
*펨토초 레이저 광 빗: 시간/주파수 표준으로 활용할 수 있는 광대역(수백만 개의 주파수의 중첩) 레이저, 빛의 스펙트럼이 머리빗과 닮았다 하여 붙여진 이름이다.
우리 대학 기계공학과 졸업생 신동철 박사가 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 2월 11일 게재됐다. (논문명: Photonic comb-rooted synthesis of ultra-stable terahertz frequencies)
이 기술은 광 시간 표준에 기반한 세계 최고 수준의 초안정 테라헤르츠파를 생성할 수 있어, 차세대 6G 통신 대역에서 초고속 통신을 실현하고, 6G 통신 기기 간 주파수 표준으로 이용될 수 있다. 또한, 생성한 테라헤르츠파는 밀리헤르츠(mHz) 수준의 정확도로 실시간 변조 가능하다는 것을 검증했다.
주저자인 신동철 박사는 "펨토초 레이저 광빗을 매개로 한 테라헤르츠 생성 기술 개발을 통해 세계 최고 수준의 광 시계 안정도를 테라헤르츠 영역으로 확장할 수 있음을 실험적으로 검증했다ˮ며 "차세대 6G 무선통신 대역에서 가장 우수한 안정도를 선점한 것에 의미가 있고 테라헤르츠 핵심 소자 평가 등에 응용돼 테라헤르츠 대역 표준 확립에 도움될 것이다ˮ라고 말했다.
한편 이번 연구는 한국연구재단의 과학기술분야 기초연구사업-개인연구사업- 리더연구(국가과학자)지원을 받아 수행됐다.
2023.03.03 조회수 5562 -
초고속 전자카메라의 성능을 한층 더 높여
우리 대학 기계공학과 김정원 교수 연구팀이 한국원자력연구원 초고속 방사선 연구실과의 공동 연구를 통해 극초단 전자 펄스의 타이밍을 10펨토초(100조분의 1초) 안정도로 측정하고 제어하는 기술을 개발, 이를 적용해 초고속 전자카메라(전자회절장치)의 성능을 한층 더 높이는 데 성공했다고 5일 밝혔다.
이 새로운 타이밍 안정화 기술을 이용하면 초고속 전자 회절(ultrafast electron diffraction, UED) 기법의 분석 능력을 크게 개선해 그래핀 등의 2차원 물질과 같은 첨단 물질들의 새로운 성질들을 규명할 수 있는 핵심 기술이 될 것으로 기대된다.
신준호 박사(現 원자력(연))가 제1 저자로서 우리 대학 박사과정 중 수행한 연구 결과를 발표한 이번 성과는 국제학술지 `레이저 앤드 포토닉스 리뷰즈(Laser & Photonics Reviews; IF=10.655)'의 2021년 2월호 표지논문(front cover)으로 2월 11일 字 게재됐다. (논문명: Sub-10-fs timing for ultrafast electron diffraction with THz-driven streak camera)
극초단 전자 펄스를 기반으로 한 회절 분석 기법(UED)은 전자 펄스의 짧은 펄스폭(수십 펨토초)과 광속에 가까운 속도(99.2%)를 활용해 태양광 소자, 차세대 전기·전자 소재 개발 등 미래 첨단 산업 분야를 위한 연구에 활용되고 있다.
한국원자력연구원은 이미 세계에서 가장 성능이 우수한 전자카메라를 보유하고 있으며, 이 기술 개발을 통해 기존 전자 회절 기법의 분해능 개선뿐만 아니라 이전에는 불가능했던 원자 내의 전자 동역학 관측에도 도전하게 됐다.
기존의 전자 펄스의 타이밍 안정화 기술들은 전자를 생성하는 고주파 마이크로파 신호와 레이저를 개별적으로 안정화했으나, 전자 펄스 자체의 타이밍을 장시간 안정화하지는 못하는 한계점이 있었다.
연구팀은 이러한 한계들을 극복하기 위해 테라헤르츠파 스트리킹(streaking) 기술로 전자 펄스의 타이밍을 측정하고 제어하는 시스템을 구현했다.
이러한 테라헤르츠파 스트리킹 기술의 선결 조건으로 먼저 전자 펄스를 발생시키는 데 필요한 레이저와 마이크로파 신호들의 정밀한 측정과 제어가 이뤄져야 하며, 연구팀은 이를 위해 레이저와 마이크로파 간의 정밀 동기화 시스템, 광 펄스의 모니터링 시스템, 자석 기반 전자 펄스 압축 시스템 등 다양한 레이저-마이크로파-전자빔 안정화 장치들을 하나씩 구현하고 최적화했다.
최종적으로 측정한 전자 펄스와 테라헤르츠파 사이의 시간 차이는 모터를 활용해 제어하고 보정했으며, 그 결과 세계 최초로 전자 펄스의 타이밍을 5.5펨토초 수준으로 4,600초 동안 안정화할 수 있었다. 이는 기존의 세계 최고 성능보다 4배 이상 향상된 시간 안정도다.
김정원 교수는 "지속적으로 이루어지고 있는 전자 펄스의 타이밍 안정도 개선과 초고속 전자카메라의 성능 향상이 다양한 태양광 소재 개발이나 전자구름 관측 등 차세대 기초 및 산업 연구 수요를 맞출 수 있을 것ˮ이라고 전망했다.
한편 이번 연구는 한국원자력연구원 주요사업과 한국연구재단 중견연구지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
2021.03.09 조회수 90503 -
신기루 현상 착안해 테라헤르츠파 광학렌즈 개발
무더운 여름, 아스팔트 도로에 물웅덩이가 보이다가 가까이 다가가면 사라지고 좀 가다보면 또 물웅덩이가 나타난다. ‘신기루’라고 불리는 이 현상은 지표면 가까운 공기층의 큰 온도차로 인한 공기밀도 변화로 빛이 굴절되기 때문이다.
우리 학교 바이오및뇌공학과 정기훈 교수는 물리학과 안재욱 교수와 신기루 현상에서 착안한 물리적 효과를 이용해 테라헤르츠파 굴절률 분포형 렌즈를 세계 최초로 개발했다.
실리콘 소재를 곡면으로 가공해 만드는 카메라렌즈에 사용되는 기존방식과는 달리 이번에 개발된 렌즈는 평평한 실리콘 웨이퍼를 소재로 반도체 양산공정으로 제작해 비용을 최대 1/100 수준으로 낮출 수 있으며 제작시간도 훨씬 단축시킬 수 있다. 광원 추출효율은 4배 이상 향상시켰다.
테라헤르츠파는 0.1THz~30THz(테라헤르츠, 1조헤르츠) 대역의 전자기파로 가시광선이나 적외선보다 파장이 길어 X선처럼 물체의 내부를 높은 해상도로 정확히 식별할 수 있어 보안검색, 의료영상기술 등 비파괴 검사 도구나 의료용 진단기구의 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있을 것으로 전망된다.
그러나 넓은 대역의 주파수 특성으로 인해 손실되는 전자기파의 비율이 높아 테라헤르츠파를 높은 효율로 집중시킬 수 있는 광학소자 개발이 요구됐다.
정 교수 연구팀은 평평한 실리콘에 테라헤르츠파 파장(약 300㎛) 보다 작은 80~120㎛ 크기의 구멍을 반도체 양산방법인 광식각공정으로 만들었다. 렌즈 가장자리로 갈수록 홀 사이즈는 크게 만들었다.
테라헤르츠파를 쪼이자 공기와 실리콘 중 공기 비율이 높은 가장자리는 굴절률이 낮았으며, 상대적으로 공기의 비율이 낮은 가운데는 굴절률이 높았다. 평평한 소재를 광학특성을 공학적으로 설계해 빛을 모으는 볼록렌즈와 같은 기능을 한 것으로 신기루 현상과 같은 물리적 효과와 같다.
이번 연구를 주도한 정기훈 교수는 “자연현상에서 착안해 자연계에 존재하지 않는 다양한 광학특성을 띄는 메타물질을 인공적으로 만든 것”이라며 “물질적 제약으로 인해 다양한 광학소자개발이 더딘 테라헤르츠파 기술 진보에 상당한 도움이 될 것”이라고 연구의의를 밝혔다.
미래창조과학부가 지원하는 한국연구재단의 도약연구자지원사업, 그린나노기술개발사업, 글로벌프론티어사업의 일환으로 수행된 이번 연구는 미국물리협회에서 발간하는 귄위 있는 국제학술지인 ‘어플라이드 피직스 레터(Applied Physics Letter)’에 9월자 특집논문 및 표지논문(제1저자 박상길 박사과정)으로 게재됐다.
그림1. 유전체 메타물질을 이용한 실리콘 굴절률 분포형 렌즈. 머리카락 굵기(80~120µm) 수준의 구멍이 실리콘 기판에 서로 다른 크기로 형성돼 있다.
그림2. 굴절률 분포형 렌즈 원리
그림3. 신기루 현상신기루는 아스팔트 도로 위에서 흔하게 나타나는 대기 굴절 현상이다. 이 현상은 도로면이 물체를 반사하는 것처럼 보이게 하는데 이 때문에 도로면에 물웅덩이가 있는 것처럼 착각하게 된다. 아래 사진에는 멀리서 다가오는 차의 상이 도로면을 통해 보인다. <사진 : 경기북과학고등학교 조영우 선생님 제공>
그림4. 논문표지
2014.09.24 조회수 20115 -
테라헤르츠파 생체 부작용 첫 발견
인체에 무해하면서도 X선보다 활용분야가 다양해 꿈의 전자파로 불리는 ‘테라헤르츠파’의 생체 부작용이 세계 최초로 밝혀졌다.
우리 학교 나노과학기술대학원 김필한 교수와 한국원자력연구원 정영욱 박사 공동연구팀은 테라헤르츠파가 동물의 피부조직에서 염증반응을 일으키는 현상을 관찰했다.
연구결과는 광학 분야의 세계적 학술지인 ‘옵틱스 익스프레스(Optics Express)’ 온라인 판(5월 19일자)에 게재됐다.
테라헤르츠파는 0.1THz~10THz(테라헤르츠, 1조헤르츠) 대역의 전자기파로 가시광선이나 적외선보다 파장이 길어 X선처럼 물체의 내부를 투과해 볼 수 있지만 에너지가 낮아 인체에 해를 입히지 않는다고 알려져 왔다.
보안검색, 차세대 무선통신, 의료영상기술 등 다양한 분야에 활용되고 있으나 생체에 어떤 영향을 미치는지에 대한 연구는 거의 이뤄지지 않았다.
또 기존에 수행된 테라헤르츠 전자파의 영향에 관한 연구는 주로 인위적으로 배양된 세포만을 대상으로 수행해 복잡하고 다양한 구조의 생명체 조직에 미치는 영향을 예측하는 것은 불가능했다.
한국원자력연구원 연구팀은 먼저 살아있는 생체에 적용할 수 있는 고출력 테라헤르츠 전자파 발생기를 개발했다. 통신 분야에서 사용되는 것보다 10배 많은 출력량으로 바이오센서 등에 상용화하기 위해서는 지금보다 출력을 대폭 늘려야하기 때문이다.
이와 함께 KAIST 연구팀은 살아있는 생체조직 내부의 세포를 구분할 수 있는 고해상도의 3차원 영상 초고속 레이저 현미경을 개발했다.
공동연구팀은 고출력 테라헤르츠파를 유전자조작 생쥐의 피부에 30분간 조사한 결과 6시간 후 피부조직에서 염증세포의 수가 기존보다 6배 이상 증가한 것을 발견했다.
인체에 손상을 주지 않고 상피암 등 피부표면에 발생하는 질병을 효과적으로 확인할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있는 ‘테라헤르츠파’의 생체 부작용이 세계에서 처음으로 보고된 것이다.
김필한 교수는 “이번 연구 결과는 현재 다양한 분야에 활용되고 있는 테라헤르츠 전자파를 어떻게 하면 더 안전하게 사용할 수 있는가에 대한 기준을 제시한 것”이라며 “향후 일상생활에서 쓰이는 다른 종류의 전자파의 생체 영향에 대한 정확한 이해 및 분석에도 활용될 것”이라고 말했다.
한편, 이번 연구는 미래창조과학부의 재원으로 한국연구재단을 통해 세계수준의 연구센터(WCI) 및 선도연구센터(ERC) 사업의 지원을 받아 수행됐다.
그림 1. KAIST의 초고속 레이저스캐닝 공초점현미경 사진
그림 2. 한국원자력 연구원의 테라헤르츠 전자파 발생장치
그림 3. 살아있는 동물의 피부조직 세포수준 영상 획득 사진
그림 4. 테라헤르츠 전자파에 의해 유도된 염증세포 영상화 사진
2014.06.18 조회수 14608