테라헤르츠(THz) 기술개발 동향

IITA’s Report

글: 이민경 / 정보통신연구진흥원www.iita.re.kr서론테라헤르츠(THz)파는 주파수 0.1~10THz(1THz=1012GHz), 파장 3mm~30mm인 전자기파로서 기존의 고속(반도체) 트랜지스터를 이용한 밀리미터파(서브-밀리미터파) 대역과 반도체 레이저를 이용한 원적외선(FIR) 전자기파 사이의 주파수 대역에 해당되는 전파자원이다. 이 대역은 현재까지 신뢰성있는 광원이 개발되지 않아, 다른 파장대역의 전자기파에 비해 연구가 상대적으로 미진한 분야로써 ‘비어있는 파장대역’이라는 의미로서 ‘테라헤르츠 갭’이라고 부르기도 한다.테라헤르츠파 기술은 나노기술, 정보기술, 생명기술, 환경기술, 우주기술 및 민군기술 등에 광범위하게 적용 가능한 과학기술 분야로, 테라헤르츠파는 마이크로파나 광파가 투과할 수 없는 물질을 쉽게 투과하고 수분에 잘 흡수되는 특성을 가지고 있기 때문에, 의학/의공학, 생화학/식품공학, 공해감시 및 보안검색 등의 산업에 점차 그 응용범위와 분야가 크게 확장되고 있는 등 그 중요성이 날로 증대되고 있다. 이 처럼 향후 IT 발전에 있어서 없어서는 안될 매우 중요한 전파 자원으로 활용될 것으로 여겨질 테라헤르츠파 기술 중 신호원에 대해 간략하게 살펴보도록 하자.테라헤르츠 기술 동향현재 테라헤르츠 기술(또는 테라-포토닉스 기술)의 전세계적인 흐름은 크게 신호원(광원)과 검출기, 핵심소재와 수동, 능동소자를 포함한 테라헤르츠 소자기술의 개발과 테라헤르츠 분광학/이미징(센서포함) 등 다양하게 이뤄지고 있다.1970년대부터 테라헤르츠 대역용 신호원(광원)으로 많이 사용된 광원은 CO2 레이저-여기(pumped) 분자가스 레이저이다. 여기광원과 공진기를 결합한 경우에는 소자의 전체길이가 수 미터가 되고, 매우 좁은 파장가변(tunability), 산발적인 발진파장(oscillation wavelength) 획득만 가능했기 때문에 주로 순수연구 목적으로만 사용되어왔다.현재까지 개발된 테라헤르츠 신호원(광원)은 크게 넓은 파장영역을 연속적으로 가지는 스펙트럼의 간섭성 광원 등 크게 4가지로 분류할 수 있으며 산업응용의 가능성 제고에 있어서는 소형/간편성(compact size and user friendliness)이 불가결 요소기술이다.국내·외 테라헤르츠 신호원(광원) 개발방식 중, 비선형광학결정(MgO-LiNbO3 등)에 나노초 레이저 펄스를 조사하면 광 여기되는 광주입형 파라메트릭 테라헤르츠 발생기(TPG: THz Parametric Generation)와 비선형광학결정(LiNbO3 등) 좌우에 고 반사율 거울(mirror) 면을 위치시킨 후, 광 손실이 작은 공진기내에 이를 구성함으로써 특정한 파장값을 가지는 고출력 테라헤르츠 신호원(광주입형 테라헤르츠 파라메트릭 발진기(TPG: THz Parametric Oscillator))을 얻을 수 있다.테라헤르츠 관련 연구는 미국(RPI), 유럽 및 일본의 대학과 유수 연구소가 주도하고 있으며, JASCO(일본)를 비롯하여 테라뷰(Teraview) 및 테라비젼(Teravision(유럽))과 같은 수많은 벤처회사가 생겨나서, 테라헤르츠 기술의 상용화에 앞장서고 있는 상황이다. 특히 유럽의 경우, 미국과 달리 여러 대학과 연구소가 대규모 연구 컨소시엄을 구성하여 연구자원의 효율적인 집중/활용을 도모하고 있기 때문에 최근에 미국과 거의 대등한 수준에 이르고 있다. 일본의 경우, 국내에 비해서는 월등한 투자가 이루어지고 있으며(수 백 억원 대, 2006년도), 이화학연구소(RIKEN) 중심의 산·학·연 연구체제 구축, 연구의 질적 수준에서도 국내의 수준에 비하면 어느 정도 격차를 유지하고 있는 상황이다.□ 미국미국은 2004년 에너지성(DOE)과 국립과학재단(NSF), 국립보건원(NIH) 및 10개 대학 등이 ‘테라헤르츠 과학기술 네트워크’를 결성하고 의료영상, 안전검색, 항공기 결함 등 다양한 분야의 응용 기술 개발을 선도하고 있다. 2005년에는 상온동작의 소형고감도 테라헤르츠 카메라, 소형센스 어레이 및 비디오 레이더를 개발하고 촬영기술 향상을 목표로 DARPA가 테라헤르츠 이미징 기술 관련 사업(Project, TIFTT)을 전개하고 있다.RPI(Rensselear Polytechnic Institute), RICE대학, 듀크대학 등 약 30개 연구기관은 100대 이상의 테라헤르츠 시스템을 구축하고, 국방, 보안, 의료 등 기초과학 전반에 대한 연구추진 뿐만 아니라, 자국민에 대한 대테러 안전을 확보하기 위해 보안검색, 폭발물탐지, 지뢰탐지, 불법약물탐지 등에 관한 연구에 집중투자하고 있다.미국에서 가장 활발하게 테라헤르츠 기술을 연구수행하고 있는 그룹은 RPI(Xi-Chang Zhang, Center for THz Research)이며, 테라헤르츠 발생 및 검출분야, 테라헤르츠 센싱분야, 테라헤르츠 이미징 및 토모그래피(Tomography, 단층촬영)분야, 테라헤르츠 광전자공학(분광학 포함) 분야에 집중적으로 투자하고 있으며, 국제적인 테라헤르츠-포럼(한, 미, 일 및 중)을 Zhang 교수가 제안하고 있다. 2002년 미국의 브룩하벤 연구소(G.L. Carr)와 로렌스 버클리 국립연구소 및 제퍼슨 연구소 등에서 초고속 레이저 펄스와 화합물반도체(GaAs)를 사용하여 광전자 여기방식으로 고출력·광대역 테라헤르츠 신호원(광원) 개발에 관한 연구가 수행되어, 주파수 0.5THz에서 보통의 테라헤르츠 광원보다 105배 이상 높은 20와트 급의 광원 개발에 성공하기도 했다.□ 일본동북대, 오사카대 및 국립연구소(NICT)가 연대하여 결성한 ’테라 테크놀로지 포럼‘(2003년)을 중심으로 테라헤르츠 분광·영상기술, 신호원 기술, 근거리 통신 기술 등의 개발에 연간 100억엔을 투자하여 2005년부터 연구개발 시작했다. 2005년, 일본정부 자문기구인 과학기술심의위원회는 테라헤르츠 대역 기술을 10대 미래기간 기술 중 최우선 과제로 선정하고 국가차원에서 전폭적인 지지를 하고 있으며, 민간 측면에서는 니콘사, 아이스펙사에서 소재 분석, 생체 및 제약 분석, 분광실험용으로 테라헤르츠 분광시스템(Pulse ITS 1000/2000)을 개발하고 상용화에 돌입하고 있다.2001년 일본 RIKEN(K. Kawase 교수, 현재는 쿄토대 재직)과 토호쿠대학(H. 이토 교수)은 MgO- LiNbO3(LiTaO3) 非線型光學結晶을 이용하여 광 파라메트릭 발생방법으로 peak 출력이 1.3nJ/pulse(200mW급 이상에 해당)의 고출력 테라헤르츠파를 얻는데 성공하였다. 이후 다양하고 우수한 테라헤르츠 신호원을 지속적으로 개발하고 있다. 오사카대학(M.Tonouchi 교수)의 테라헤르츠 연구그룹은 강상관전자소재(고온초전도체, 강자성체 박막재료 등)를 기반으로, 펨토-초 레이저 여기방식에 의해 THz-펄스파를 발생시키는 연구를 수행하고 있으며, 세계 최초로 초전도-옵토일렉트로닉스 분야를 열었다(1996년).□ 유럽신호원 개발, 테라헤르츠파 검출 및 이미징 계측 기술 등 2000~2002년까지 영국의 리드대학 외 오스트리아, 독일, 네덜란드 등 6개국 7개 기관이 공동으로 ‘테라비젼(TERA-VISION)’ 사업을 실시했다.캠브리지대(영국) 등 유럽의 주요 연구기관은 MBE장비를 앞세워 차세대 테라헤르츠 신호원으로 각광받는 양자폭포레이저(QCL=Quantum Cascade Laser) 개발을 선도하고 있으며, 벤처기업인 (주)테라뷰(캠브리지 첨단 바이오벤처 센터 소재)는 테라헤르츠 기술관련 상용제품(TPI: THz Pulse Imager, TPI-1000/2000/3000 모델)을 개발, 시판하고 있다.이태리 NEST-INFM & Scuola Normale Superiore의 R. Kohler과 영국 케벤디쉬 연구소의 H.E. Beere 등은 양자구조에 전자를 주입함으로써, 4.4THz의 주파수에서 2mW 급의 출력을 생산하는 반도체 기반의 양자종속레이저를 개발했다(프로토 타입, 2002년). 한편, InGaAs/InAlAs 및 GaAs/AlGaAs 기반의 화합물반도체를 이용하여, 초격자 성장, 소자제작 및 측정분석과 관련된 우수한 연구결과를 유명저널(Nature)에 많이 발표하여 명성을 얻고 있는 대표적인 그룹으로는 영국 케임브리지대학의 케빈디쉬 연구소 반도체물리그룹이 있으며, 테라헤르츠 상용제품 생산회사인 (주)테라뷰에서는 화합물 반도체를 이용하는 테라헤르츠 관련 연구를 꾸준히 수행하고 있다.□ 한국우리나라는 90년대 후반부터 테라헤르츠 기술을 연구하고 있으나, 투자비 부족 등으로 선진국 대비 2~3년의 기술격차를 보이고 있다.국내는 대학 및 연구소 중심으로 관련 연구를 전개하고 있다. 2006년부터는 정통부의 지원 하에 테라헤르츠 신호원 소자(검출기 등) 및 신호원 기술 등을 연구개발 중이며, 2002년에 ‘한국 테라헤르츠 포럼(KTF)'을 결성하고, 국내외 테라헤르츠 기술 및 산업동향 등 정보교류를 위한 테라헤르츠 기술 워크숍을 매년 개최하고 있다.현재, 국내의 테라헤르츠 연구는 선진국과 비교하면 연구 역사도 짧고, 인적·물적 측면에서 투자 규모가 영세할 수 밖에 없지만, 일부 대학 및 연구소에서 집적화된 극소형 테라헤르츠 안테나 및 광원, 테라헤르츠 광결정 섬유, 테라헤르츠 발생/검출 및 테라헤르츠 분광학 분야 그리고 자유전자 레이저(FEL)시스템의 개발 등에서 독창적이고, 양호한 연구결과가 나오고 있는 실정이다. 한국과학기술원(KAIST) BK21 정보기술사업단에서 유일하게 THI(Tera-Hertz Imaging) 관련 연구를 2001년에 수행하여(레이저를 이용한 초고주파 소자의 측정 기술과 테라헤르츠 영상 시스템의 개발) 치아와 팔목 부위에 대한 테라헤르츠 영상을 얻었으며, 한국표준과학연구원에서는 테라헤르츠파 발생 및 신소재 개발을 위한 테라헤르츠 분광기술을 개발하고 있다. 원자력연구소에서는 FEL 시스템의 개발과 응용분야를 연구 중이며, 국립해양대학교에서는 한국학술진흥재단의 지원(2000~2003년)하에 THz-TDS (Time Domain Spectroscopy) 기술을 이용하여 전도성 고분자를 측정하고, 이산화규소 등의 특성을 분석하는 연구를 수행하였다. 포항공대에서는 이중모드 레이저, 검출기 및 안테나 등을 원칩 형태로 제작하고 이를 기반으로 초소형 테라헤르츠 신호원 제작 연구(결합손실도 작고, 전류이득도 높으며, 광대역 밴드폭을 가지는)를 수행하고 있으며, 서울시립대학교에서는 비선형광학결정의 전기-광학효과를 이용한 전기-광학샘플링(sampling) 방법으로 테라헤르츠 발생/검출 연구를 수행하였고, 최근에는 GaAs/In(Ga)As 양자점과 탄소나노튜브(CNT)를 사용한 테라헤르츠 신호원 구현 연구를 수행 중에 있다.이밖에 서울대, 성균관대, 연세대, 아주대, 한양대, KAIST 등의 대학에서도 테라헤르츠 신호원(광원) 개발에 관한 연구를 수행하고 있으나 화합물반도체의 초격자 구조(QCL)를 이용한 연구추진에서는 KIST 및 ETRI 등에서 제한적으로 시도되고 있는 수준이다. 초격자 성장 메커니즘 분석에 관한 연구가 아직 초보적인 단계에 머무르고 있으며, 테라헤르츠 특성을 확인한 정도의 연구 수준에 불과하다.테라헤르츠 기술 응용과 기대효과테라헤르츠 기술은 나노기술, 정보기술, 생명기술, 환경기술, 우주기술 및 민군기술 등에 광범위하게 적용 가능한 과학기술 분야이다. 특히, 테라헤르츠파는 마이크로파나 광파가 투과할 수 없는 물질을 쉽게 투과하고 수분에 잘 흡수되는 특성을 가지고 있기 때문에, 의학/의공학, 생화학/식품공학, 공해감시 및 보안검색 등의 산업에 점차 그 응용범위/분야가 크게 확장되고 있다. 최근에는 영상(imaging), 검사(inspection), 감지(sensing) 및 통신(communication) 분야 등에 그 활용도를 점차 높여하고 있다.테라헤르츠파는 전파의 투과성과 광파의 직진성이라는 양면성을 보유하고 있으며 최근의 테라헤르츠 신호원 기술에 의하면 100mW급 이상의 연속파 발생뿐만 아니라, 수 W급 자유전자레이저(FEL)와 경쟁할 수 있는 단계까지 접근하고 있다. 테라헤르츠 기술이 전개할 응용분야는 각종 암·화상 등의 의료진단, 전자제품·식품·소지품 검사, 소재물성·분자·생명공학, 광파-전파 융합통신(근거리 통신), 환경 모니터링 및 유해가스 검출 분야에서 크게 주목받고 있다. 따라서 테라헤르츠파 통신, 대규모 원격탐사 및 정보보호 시장, 의료(암 센싱, 치아진단 등)용 이미지 센싱 기술 및 센싱 장비(모듈) 시장, 테라헤르츠 전자부품, 정밀계측기기, 테라헤르츠 분광기 시장, 식품/농산물 검사기기 시장 등으로 이야기 할 수 있겠다.이같이 테라헤르츠파 기술은 향후 새로운 과학기술적 가치 창출을 위한 첨단 분야이므로, 테라헤르츠파 소자(부품), 테라헤르츠파 신호원(광원), 그리고 이들의 기능과 특성 향상을 위한 신소재(박막재료) 개발, 테라헤르츠파 신호원 기반의 테라헤르츠파 통신 및 이미지(영상)용 부품(모듈), 그리고 다양한 테라헤르츠 응용기술(분광학, 이미징 등) 분야의 획기적 진보가 예상되고, 국가 경제 및 사회 전반에 걸쳐 파급효과가 막대할 것으로 기대되므로 이러한 추세를 감안하여 테라헤르츠 분야의 집중적인 기술개발이 필요하다.※ 본 내용은 정보통신연구진흥원에서 추진 중인 IT신성장동력 핵심기술개발 사업을 통해 지원되고 있는 내용을 바탕으로 작성·인용되었음

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