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2010년 서울 G20 정상회의를 앞두고, 위해 물질을 실시간으로 검출할 수 있는 기술이 개발됐다는 발표가 나 언론의 주목을 받은 적이 있다. 국가적 행사로 인해 보안이 한층 더 강화된 시점에 나온 연구 성과라 주변의 관심은 더욱 증폭됐다.
그 때 주목받은 내용이 바로 한국표준과학연구원(원장 김명수) 안전측정센터 이대수 박사팀이 개발한 '고속 테라헤르츠 분광 기술'이다. 폭발물, 마약, 독극물 등 국민의 안전을 위협하는 위해물질을 현장에서 식별할 수 있는 장비를 만드는 기반 기술이다.
이 기술의 핵심은 테라헤르츠파(THz=1012 Hz:1조 헤르츠). 테라헤르츠파는 적외선과 마이크로파 사이에 있는 0.1~10 THz 대역의 전자파로서 최근 연구가 활발히 이뤄지고 있는 주파수 대역이다. 마이크로파에 비해 분해능이 탁월해 보안·의료·비파괴 검사 분야 등에서 쓰임새가 다양해질 것으로 기대되는 분야다.
펨토초(10-15초) 수준의 펄스폭을 갖는 펨토초 레이저(Femtosecond laser)의 발명은 테라헤르츠 대역 연구를 촉진하는 촉매제 역할을 했다. 테라헤르츠파 발생 기술이 부족해 그 동안 이 대역에 대한 연구가 미진했으나 1980년대 후반, 펨토초 레이저의 개발로 광대역 테라헤르츠 펄스파 발생이 가능해졌다. 이를 기초로 테라헤르츠 시간영역 분광(THz time-domain spectroscopy: THz-TDS) 기술이 개발됐고, 이대수 박사팀의 '고속 테라헤르츠 분광 기술'의 모델이 됐다.
그림 1번이 일반적인 테라헤르츠 시간영역 분광 기술의 개략도다. 펨토초 레이저 한 대로 발생시킨 광펄스를 빔 스플리터를 이용, 두 개로 나눈다. 하나는 테라헤르츠 펄스파를 발생하고 다른 하나는 검출하는데 사용된다. 테라헤르츠 분광 특성이 물질마다 다르므로 테라헤르츠 분광을 측정하면 대상 물질의 정체가 무엇인지 판별할 수 있다.
그러나 이 기술은 실시간으로 측정하기가 어렵다. 공간상에서 딜레이 스테이지(delay stage)를 움직이면서 시간상 파형을 얻다보니 측정 시간이 길어지기 때문이다. 또한 시간지연(time delay)의 폭(10-10초)이 작아 주파수 분해능이 떨어지는 단점도 가진다.
2005년에 일본과 독일에서 개발된 비동기식 광샘플링 테라헤르츠 시간영역 분광기술은 측정 시간을 좀 더 단축했다. 그림 2에서 보듯이, 반복주파수가 서로 다른 펨토초 레이저 두 대를 사용하여 시간지연이 자동으로 변하므로 측정 속도가 더 빨라진다. 측정 가능한 시간지연 폭이 10ns(10-8초)까지 길어 주파수 분해능도 그림 1에 비해 훨씬 높다.
이대수 박사 연구팀은 전자제어 광샘플링 테라헤르츠 시간영역 분광기술(그림 3)을 개발해 기존 분광기술보다 측정 속도를 훨씬 향상시켰다. 그림 2번 기술은 2대의 펨토초 레이저의 반복주파수가 조금 다르게 설정돼 있으나 그림 3의 경우 두 번째 레이저의 반복주파수가 첫 번째 레이저의 반복주파수의 아래위로 변조되는 것이 특징이다.
또한 제한된 시간지연 폭만을 측정함으로써 빠른 속도로 측정이 가능하다. 이대수 박사는 “원하는 시간지연 구간에서만 높은 스캔 주파수로 빠르게 측정할 수 있으므로 그림 2번보다는 50배 정도 측정 시간이 단축된다”고 강조했다.
이 기술은 실시간 위해물질 검출기술로 알려졌지만 실제로는 보안검색 외에도 비파괴 검사나 의료 분야에서도 응용이 가능하다.
특히 비파괴 검사 분야에서 고속 3차원 테라헤르츠 이미징 기술은 신기술로 기대되고 있다. 현재의 테라헤르츠 기술로는 비파괴 검사를 위한 3차원 테라헤르츠 이미징에 몇 시간이 걸리는데 비해, 개발된 기술을 응용하여 몇 분안에 이미징이 가능한 상용화 장비 개발에 성공하면 세계적인 선도 산업으로도 발전 가능하다.
현장에서 실시간으로 위해물질 검출하기 위해서는 위해물질의 테라헤르츠 스펙트럼 데이터베이스를 구축하고 판별 알고리즘과 실제 상용화장비를 개발하는 등의 과제가 남아있다.
광학분야의 세계적 학술지인 '옵틱스 레터스(optics letters)' 11월호에 게재된 '광샘플링 테라헤르츠 시간영역 분광기술' 에 관한 이대수 박사님 논문입니다. 논문보기 | 
