주요사업 연차 보고서 (중과제)
지능형 전파센서 및 무선 에너지 전송 원천기술
과제유형 ■ 기초․미래선도형 □ 공공․인프라형 □ 산업화형 대과제명 방송·미디어 미래선도 원천기술 개발 대과제책임자 성명 이수인 소속 방송·미디어연구소 중과제명 지능형 전파센서 및 무선 에너지 전송 원천기술 중과제 책임자 소속 및 부서 전파·위성연구본부 직위 (직급) 본부장 (책임연구원) 성명 이호진 전화번호 042-860-6218 총연구기간 2018 년 1 월 1 일 부터 2023 년 12 월 31 일 까지 ( 72 개월) 당해연도 연구기간 2018 년 1 월 1 일 부터 2018 년 12 월 31 일 까지 ( 12개월) (1차년도) 총 연 구 비 정부출연금 19,013,000 천원 당 해 년 연 구 비 정부출연금 2,828,000 천원 민간부담금 현금 천원 민간부담금 현금 천원 현물 94,100 천원 현물 94,100 천원 계 19,107,100 천원 계 2,922,100 천원 참여인력(M/Y) 총 연 구 기 간 198 명( 97.62 M/Y) 당해연도 연구기간 39 명( 17.0 M/Y) 참여기관 기관명 유형 책임자 성명 직위/직급 전화 E-mail 고려대학교 산학협력단(구로병원) 국내공동연구 윤준식 교수 rehab46 @korea.ac.kr 정부출연금사업 연차평가 보고서를 제출합니다. 2018년 11월 28일 중과제 책임자 : 이 호 진 (인) 직 할 부 서 장 : 이 수 인 (인)
한국전자통신연구원장 귀하
목 차
제 1 장 과제개요 ··· 1 제 1 절 연구 필요성 및 중요성 ··· 1 1. 필요성 ··· 1 2. 중요성 ··· 1 제 2 절 연구목표 및 내용 ··· 2 1. 최종목표 ··· 2 2. 연차별 연구목표 ··· 2 3. 당해년도 연구내용 ··· 5 제 2 장 튜너블 테라헤르츠 트랜시버 기술 ··· 6 제 1 절 테라헤르츠 트랜시버 구성용 핵심 소자 및 모듈 기술 ··· 6 1. 광대역 테라헤르츠파 발생 칩 및 모듈 기술 개발 ··· 6 2. 광대역 테라헤르츠파 검출 소자 및 모듈 기술 개발 ··· 12 3. 나노 전극 기반 테라헤르츠 검출 소자 기술 개발 ··· 18 4 테라헤르츠 파면 제어 기초 기술 연구 ··· 22 5 자체 개발된 핵심 기술을 활용한 테라헤르츠 응용 기술 ··· 28 제 3 장 전파 정밀조사 기술 ··· 41 제 1 절 국부영역 빔 포커싱 알고리즘 연구 ··· 41 1. 시간 역행 알고리즘 ··· 41 2. 바이오 열 방정식 이론 ··· 42 3. 동물조직 대상 모의 시뮬레이션 연구 ··· 43 제 2 절 동물조직 대상 빔 포커싱 알고리즘 검증 실험 연구 ··· 48 1. 실험 시스템 및 실험환경 구성 ··· 48 2. 실험 시나리오 ··· 48 3. 모의 팬텀 개발 ··· 49 4. 국부영역 빔 포커싱 검증 실험 및 결과 분석 ··· 53 5. 동물조직 대상 빔 포커싱 검증 실험 및 결과 분석 ··· 56 제 3 절 동물조직 간이실험장치 연구 ··· 65 1. 시스템 ··· 65 2. 송신모듈 ··· 69 3. 어플리케이터 ··· 74 제 4 절 동물조직 대상 의학적 기초연구 및 3차원 전자기 모델링 ··· 78 1. 생체 조직 모델을 이용한 열 포커싱 효과 연구 ··· 782. 의료영상 기반 해부학적 3차원 전자기 모델링 ··· 84 제 4 장 중거리 무선 에너지 전송 원천 기술 ··· 88 제 1 절 중거리 전송용 단일 코일 전자기공명(EMCR) 해석 ··· 88 1. 전기장 및 자기장 결합계수 추출방법 연구 ··· 88 2. 거리에 따른 웨이브 임피던스와 전자기장 분포 해석 ··· 90 3. 주파수, 물질, 구조에 따른 전송거리 분석 연구 ··· 93 제 2 절 고효율 인버터 구조 설계 및 정합 구조 연구 ··· 98 1. 위상제어용 고효율 인버터 구조 설계 ··· 98 2. 위상제어 인버터 정합 구조 연구 ··· 103 3. 중거리 무선전력전송 제어 시스템 구조 설계 ··· 107 제 5 장 연차 성과목표 달성도 ··· 111 제 1 절 기술개발 목표 및 성과 ··· 111 제 2 절 연구산출물 목표 및 성과 ··· 112 제 6 장 연구결과의 활용정도 및 파급효과 ··· 119 제 7 장 중간점검 지적사항 개선실적 ··· 124 제 8 장 결론 ··· 125 참고문헌 ··· 126 약어 ··· 129
제 1 장 과제개요
제 1절 연구 필요성 및 중요성
1. 필요성 ○ 4차 산업혁명시대에서의 IoT/빅데이터 생산과 이의 지능적(AI) 처리에 의한 미래 혁신 산업/서비스 창출 패러다임에 맞추어, 전파기반의 미래기술로 지능형 전파 센서 원천기술과 이에 대한 무선에너지 제공을 위한 전송 원천기술 개발이 필요함 ○ 자율주행 차량을 위해 레이다, 광학, 라이다 등 많은 센서들이 이용되고 있으나, 기상 조건 및 조도 등 외부 환경에 따른 성능 보장이 어려워 전천후 고성능-고신뢰성 기술개발의 필요성이 대두됨 ○ SAR는 항공·위성 등 高고도에서 측하방 관측을 통해 조도 및 기상 환경에 무관하게 고해상도 영상정보를 제공하는 기술이나 지상용 차량에 적용하기 위해서는 구조 및 핵심 신호처리 기술의 개발이 필요함 ○ 자율주행 차량용 레이다기반 전파 영상센서 기술은 교통 IDX 실현을 위한 핵심기술로, 자율주행 차량의 안전성, 신뢰성 향상을 위한 원천 기술임 ○ 테라헤르츠 트랜시버 기술은 높은 주파수영역에서의 초광대역 영상 ·분광·통신 구현을 위한 센서 기술로 소형화, 광대역화, 고감도화를 위한 원천 기술임 ○ 전파를 이용한 인체영상 기술과 인체치료를 위한 전파집속/조사 기술은 레이다 기술을 응용하는 전파센서 기술로, 초음파와 X-선에 대비되는 새로운 비침습 전파영상/치료를 가능하게 하는 원천 기술임 ○ 각종 전파센서 및 IoT/빅데이터 기기에는 공간적 제약이 없는 무선 에너지 이용 기술이 요구되고 있는데, 효율 및 거리 한계를 동시에 극복하는 전자파기반의 무선에너지 전송 원천 기술을 선도적 으로 First Mover 도전성 핵심 원천 기술임 2. 중요성 ○ 레이다 기반의 지능형 전파 센서 기술은 자율주행차 뿐 만 아니라 제스쳐나 사람특성 인식, 의료영상, 시큐리티, 햅틱/UI, 비침습 의료, 물질 분석 등 생활전반에 사용되어 지능형 산업/서비스를 창출할 것으로 예상되고 있어, 전파 센서 원천기술과 이를 지원하기 위한 무선에너지 전송 원천기술은 미래 산업측면에서 뿐 만 아니라 안전, 환경, 건강 등 인류복지 측면에서도 중요한 필수 기술임 ○ 현재 차량용 레이더는 단순한 대상체 유무 탐지 용도로 주로 이용되고 있는데, 완전 자율주행 차량을 위한 고해상도/고신뢰성 레이다 기술개발에 대한 관심이 고조되고 있으며, 이에 대한 선도적 원천 기술 개발이 필요함 ○ 레이다 기반 차량용 전파센서 기술은 조도 및 모든 기상조건에서 동작가능하여, 인간이나 광학식 카메라가 제공할 수 없는 인공지능이 판단할 수 있는 영상정보를 제공하여 자율주행 자동차의안전성 및 편의성에 크게 기여할 것임 ○ 테라헤르츠파는 가시광과 마이크로파 사이에 위치하는 0.1THz~ 10THz 주파수 영역의 전자파로, 비금속이나 무극성 재료를 투과하는 특성이 있어 의료 진단, 환경 계측, 식품 검사, Security시스템 등 매우 광범위한 응용영역에서 차별적인 전기적 특성 제공 가능 ○ 초소형, 광대역, 다기능 특성 제공이 가능한 포토닉스 기반 테라헤르츠 기술은 반도체보다 넓은 가변대역폭과 높은 주파수 (해상도)를 제공, 영상분야와 분광분야에서 기술적, 산업적 경쟁력을 가짐 ○ 전파기반 온열치료 기술은 기존 침습적 의료기술의 한계 극복 할 수 있는 혁신 기술로서, 근골격계 질환, 간암, 뇌종양, 자궁근종, 디스크 염증 등의 다양한 난치성/퇴행성 질환 치료 분야에 임상적 활용이 가능함 ○ 전파 치료기기는 선행특허가 희박한 원천 분야로서 해외 추이에 대응한 핵심원천기술 선점이 시급함 ○ 각종 스마트기기, 의료기기, 센서, 3차원 공간에 배치되는 IoT 기기 등의 전원공급 및 충전에 자유도를 제공하고, 사람이 개입하지 않더라도 자율적으로 무선에너지를 공급받기 위해서는 인체에 영향을 최소화하고, 동시에 효율 및 거리 한계 문제를 동시에 해결하는 공간적 에너지 전송 원천기술 개발이 중요함
제 2 절 연구목표 및 내용
1. 최종목표 구 분 내 용 최종목표 ○ 건강·생활/산업/자율자동차 등 미래 혁신 서비스용 지능형 전파센서 및 무선 에너지 전송 원천 기술 개발 세부목표 § 레이다 기반 지능형 영상 센서 기술(360도 SAR 해상도 12cm) § 집적형 튜너블 THz 트랜시버 및 파면제어 원천 기술 개발 (출력 : >1mW, 감도 : >2000V/W @300GHz) § 전파 치료를 위한 생체 내부 전파 정밀조사(照射) 원천 기술 개발 (조사 정밀도 10mm) § 중거리 무선에너지 전송 원천 기술 개발 (5~10m, 공진코일 직경 대비 10배 이상, RF 링크효율 50%이상, ICNIRP 기준 만족) 2. 연차별 연구목표 구 분 목 표 내 용 1차년도 (2018) § 튜너블 테라헤르츠 트랜시버 핵심 모듈 및 파면제어 원천기술 개발 Ÿ THz파 발생 및 검출 모듈 개발 (@300GHz) - 출력 : >75㎼, 감도: 1,200V/W Ÿ 테라헤르츠 파면제어를 위한 광 공간 위상 제어 기초기술 개발§ 국부영역 빔 포커싱 알고리즘 개발
Ÿ 직경 10mm 이하 국부영역 빔 포커싱 알고리즘 개발 Ÿ 동물조직 대상 알고리즘 검증
§ 전자기공명 (EMCR : Electro- Magnetic Coupled Resonance) 기본 구조 확보 (공진코일 직경 대비 3배) Ÿ 단일 코일 전자기공명(EMCR) 해석 Ÿ 고효율 인버터 구조 설계 2차년도 (2019) § 차량용 360도 SAR 요구 사항 정의 및 핵심 알고리즘 설계 Ÿ 차량구조기반 360도 SAR 영역 확보를 위한 안테나 구조 설계 Ÿ 360도 SAR를 위한 신호처리 핵심 알고리즘 구조 설계 - 요동 및 속도 변화 보상 알고리즘 Ÿ 360도 SAR 영상 인식 알고리즘 기초 연구 § 튜너블 테라헤르츠 트랜시버 핵심 모듈 및 파면제어 원천 기술 개발 § THz 트랜시버 구성용 핵심 소자 및 모듈 기술 - 모듈출력 : >120㎼, 감도: 1,500V/W (300GHz 기준) § RTD (Resonant Tunneling Diode) 소자 설계
§ 나노전극 기반 THz파 검출 소자 기술 § 테라헤르츠 파면제어를 위한 테라헤르츠/광 복합 공간 위상 제어 기술 개발 § 전 자 기 공 명 ( E M C R ) 구조 설계 (공진코일 직경 대비 4배) Ÿ 단일 코일 전자기공명(EMCR) 구조 설계 Ÿ 고효율 송수신 회로 설계 기술 개발 3차년도 (2020) § 차량용 360도 SAR 상세 설계 및 핵심 알고리즘 검증 시뮬레이터 개발 Ÿ 차량구조기반 전후방/측방 SAR 적용 안테나 모듈 상세 설계 Ÿ 360도 SAR를 위한 신호처리 핵심 알고리즘 상세 설계 - 요동 및 속도 변화 보상 알고리즘 Ÿ 기계학습기반 360도 SAR 영상 인식 알고리즘 연구 § 집적형 테라헤르츠파 핵심 모듈 및 파면제어 영상 기술 개발 § THz 트랜시버 구성 핵심 소자 및 모듈 기술 (@300GHz) - 출력 : >200㎼, 감도: 1,800V/W § 안테나 집적형 RTD칩 개발 - 발진주파수: 300GHz, 출력: >20㎼ § 나노전극 기반 THz파 검출 소자 기술 - 어레이수: 4x4, Responsivity: >0.25, SNR@300GHz: >50dB § 테라헤르츠 파면제어 기반 영상 기술 개발 - 300GHz, 어레이 수:>4 § 5m급 중거리 전송 모듈 개발 (공진코일 직경 대비 5배) Ÿ 단일 코일 기반 5m급 중거리 전송 기술 개발 Ÿ 전자파환경(EMF) 저감화 코일 구조 연구 4차년도 (2021) § 차량용 360도 SAR 핵심 모듈 제작 및 시험 Ÿ 차량구조기반 전후방-측방 SAR 적용 안테나 모듈 제작 및 시험 Ÿ 360도 SAR를 위한 신호처리 핵심 알고리즘 검증용 모듈 제작 및 시험 - 요동 및 속도 변화 보상 알고리즘 시험 Ÿ 기계학습기반 360도 SAR 영상 인식 알고리즘 검증 모듈 제작 및 시험 § 고출력 광대역 테라헤르츠파 § 테라헤르츠 트랜시버 구성용 핵심 소자 및 모듈 기술
핵심 부품 및 파면제어 영상 기술 개발 - 출력 : >350㎼, 감도: 2,000V/W (300GHz 기준) § 안테나 집적형 RTD모듈 개발 - 발진주파수: 300GHz, 출력: >50㎼ § 나노전극 기반 THz파 검출 소자 기술 - 어레이수: 8x8, Responsivity: >0.30, SNR@300GHz: >70dB § 테라헤르츠 파면제어 영상 모듈 개발 - 500GHz, 어레이 수:>8 § 다중 코일 전자기공명 (EMCR) 구조 설계 (공진코일 직경 대비 7배) Ÿ 다중 코일 전자기공명(EMCR) 구조 해석 Ÿ 전자파환경(EMF) 저감화 전자기장 차폐 구조 연구 5차년도 (2022) § 차량용 360도 SAR 통합 모듈 시험 Ÿ SAR 통합 모듈을 위한 안테나 모듈 시험 및 보완 Ÿ 통합 모듈 기반 SAR 신호처리 알고리즘 시험 및 보완 Ÿ 기계학습기반 360도 SAR 영상 인식 알고리즘 시험 및 보완 § 집적형 튜너블 테라헤르츠 트랜시버 모듈 및 파면제어 영상 기술 개발 § 테라헤르츠 트랜시버 구성용 핵심 소자 및 모듈 기술 - 출력 : >500㎼, 감도: 2,000V/W (300GHz 기준) § 안테나 집적형 RTD 모듈 개발 - 발진주파수: 300GHz, 출력: >75㎼ § 나노전극 기반 THz파 검출 소자 기술 - 어레이수: 8x8, Responsivity: >0.30, SNR@300GHz: >70dB § 테라헤르츠 파면제어 영상 모듈 기술 - 주파수 : 700GHz, 어레이 수:>16 § 다중 코일 전자기공명 (EMCR) 구조 설계 (공진코일 직경 대비 8배) Ÿ 다중 코일 전자기공명(EMCR) 구조 설계 Ÿ 중거리 전송용 모드 생성구조 설계 6차년도 (2023) § 실환경 기반 차량용 360도 SAR 핵심 알고리즘 고도화 Ÿ 360도 SAR 안테나 모듈 실환경 시험 및 고도화 Ÿ 360도 SAR 신호처리 알고리즘 실환경 시험 및 고도화 Ÿ 기계학습기반 영상 인식 알고리즘 고도화 § 집적형 튜너블 테라헤르츠 트랜시버 모듈 및 파면제어 응용모듈 개발 § 테라헤르츠 트랜시버 구성용 핵심 모듈 상용 기술 개발 - 출력 : >1,000㎼, 감도: 2,000V/W (300GHz 기준) § 안테나 집적형 RTD 모듈 개발 - 발진주파수: 300GHz, 출력: >100㎼ § 나노전극 기반 THz파 검출 소자 기술 - 어레이수: >8x8, Responsivity: >0.30, SNR@300GHz: >90dB § 테라헤르츠 파면제어 영상 모듈 개발 - 주파수: 300GHz~1THz § 10m급 중거리 전송 모듈 개발 (공진코일 직경 대비 10배) Ÿ 다중 코일 기반 10m급 중거리 전송기술 개발 Ÿ 전송거리 확장용 자기장 생성 및 제어 기술 개발
3. 당해년도 연구내용 ○ 튜너블 테라헤르츠 트랜시버 핵심 모듈 및 파면제어 원천기술 개발 - 테라헤르츠 트랜시버 구성용 핵심 소자 및 모듈 기술 Ÿ 테라헤르츠파 발생 및 검출 단위 모듈 특성 @300GHz (출력: >75㎼, 검출 감도: >1,200V/W) Ÿ 고출력 광증폭기 집적형 비팅 광원 모듈 기술 (출력: >19dBm) Ÿ 매립형 도파로 집적 광대역 포토믹서 모듈 기술 (Responsivity: >0.3 @300GHz) Ÿ 광대역 안테나 공유형 1x2 UTC-PD 모듈 Ÿ 광대역 InGaAs 쇼트키 다이오드 칩 개발 (감도: 1200V/W @300GHz) - 나노전극 기반 테라헤르츠파 검출 소자 기술 연구 Ÿ 고효율 흡수층 MOCVD 성장 기술 Ÿ 전자선 리소그래피 및 공정 기술 (<100nm) Ÿ 전자의 ballastic 운동 제어를 통한 고감도 검출소자 기술 연구 (Responsivity: >0.15, SNR@300GHz: ~20dB) - 테라헤르츠 파면제어 기초 기술 연구 Ÿ 1x4 테라헤르츠 공간 분배 및 결합 기술 개발 Ÿ THz Telecentric f-θ HDPE 렌즈 설계 및 개발 (영상면적: >6x6cm2) ○ 국부영역 빔 포커싱 성능 향상 기술 개발 및 성능 검증 - 국부영역 빔 포커싱 알고리즘 연구 (조사 정밀도 10 mm) - 국부영역 빔 포커싱 검증 실험 - 해부학적 전자기 모델링 - 동물조직 대상 실험 및 효과분석 (의료기관과 공동수행) ○ 중거리 전송용 단일 코일 전자기공명 해석 및 고효율 인버터 구조 설계 - 중거리 전송용 단일 코일 전자기공명(EMCR) 해석 Ÿ 전기장 및 자기장 결합계수 추출방법 연구 Ÿ 거리에 따른 웨이브 임피던스 해석 Ÿ 송수신 공진기 주변의 전자기장 분포 해석 Ÿ 주파수, 물질, 구조에 따른 전송거리 분석 연구 - 고효율 인버터 구조 설계 Ÿ 위상제어용 고효율 인버터 구조 설계 Ÿ 공진 코일과의 결합을 위한 정합기술 연구
제2장 튜너블 테라헤르츠 트랜시버 기술
제1절 테라헤르츠 트랜시버 구성용 핵심 소자 및 모듈 기술
1. 광대역 테라헤르츠파 발생 칩 및 모듈 기술 개발 - 광기술기반 테라헤르츠 연속파 발생은 그림 2.1에 나타낸 것과 같이 비팅광원과 광전 변환을 위한 포토믹서, 그리고 테라헤르츠파 방사를 위한 안테나로 구성 [2.1] - 고출력의 테라헤르츠 발생기를 개발하기 위해서는 포토믹서로 입력되는 광세기를 크 게 하여야 하고, 포토믹서에서는 입력광세기 대비 테라헤르츠파의 광전 변환효율을 증 대하여야 함 - 고출력 테라헤르츠파 발생기 개발 위해서는 광증폭기(SOA)가 집적된 고출력 비팅광 원의 개발 및 고효율의 포토믹서 개발이 중요 (그림 2.1) 테라헤르츠파 발생기 개념도 가. 고출력 광증폭기 집적형 비팅광원 모듈 기술 개발- SOA (semiconductor optical amplifier) 및 DML (dual mode laser)의 활성층 및 도파로 구조 변경을 통해 THz 이미징용 및 분광용 등의 비팅 광원으로 다양하게 적용 가능한 고출력 비팅광원 개발이 필요함
- 비팅광원과 SOA을 단일집적하여 저가격화 및 소형화가 가능하며, 향후 UTC-PD 까 지 단일 또는 하이브리드 집적하여 한 패키지내에 집적화 할 수 있을 것으로 기대됨 - SOA의 출력향상을 위해서는 식 (1)에 볼 수 있듯이 SOA의 포화출력(saturation
output power)를 향상 시켜야 함 [2.2, 2.3] ∙ 식(1)
(여기서, Psat;SOA saturation output power, d; active layer 두께, w;active layer 폭, Γ;optical confinement, υ;optical frequency, a; differential gain, τs;carrier lifetime) - 식 (1)에서 볼 수 있듯이, Psat을 증가시키기 위해서는 mode cross section (dw/Γ)을
증가시키거나 활성층의 differential gain을 줄이거나, carrier lifetime을 줄이는 방법이 사용함
- Differential gain 또는 carrier lifetime을 줄이는 방법은 DFB LD 특성을 저해하는 요 소이므로, 일반적으로 mode cross section을 증가시키는 방법을 통하여 SOA의 특성을 향상시킴
- Mode cross section을 증가시키기 위해서는 active layer의 optical confinement (Γ)을 줄이거나, active layer의 두께 또는 폭을 증가시키면 가능함. 하지만, active layer 두 께를 증가시키게 되면 optical confinement도 증가하게 되어, 어떤 최적의 활성층 두께 가 존재하게 됨
- 그림 2.2에서 볼 수 있듯이, 오히려 활성층의 두께를 줄이게 되면, d/Γ가 증가하게 되어, mode cross section이 증가함을 볼 수 있음. 고출력 SOA 구조를 위해 SCH 구 조 및 well 두께를 고정하고, well 수에 따른 d/Γ 값을 전산모사하였고, 그 결과를 그림 2.2에 나타내었음
(그림 2.2) 양자우물 수에 따른 d/Γ
- 그림 2.2에서 볼 수 있듯이, well수가 작아질수록 d/Γ값이 증가하므로, 식(1)에서 볼 수 있듯이, well 수가 작은 경우에 SOA의 포화출력광세기(Psat)를 증가시킬수 있음. 전 산 모사된 결과로부터, d/Γ는 well 수가 4일 때 포화되는 경향을 보이고 있으므로, well 수는 기존의 7에서 4로 변경하였음
- SOA의 포화출력광세기를 증가시키는 또 다른 한 가지 방법은 식 (1)에서 볼 수 있듯 이, SOA의 활성층 도파로의 폭(w)을 증가시키는 방법이 있음. 따라서, SOA의 선폭을 기존의 1.2 μm에서 4 μm 로 증가시켰음
(그림 2.3) 제작된 고출력 SOA-의 칩 사진 - 그림 2.3에 제작된 고출력 SOA-DML 칩 사진을 나타내었음. 칩 전체 길이는 3.37 mm 정도임 - 그림 2.4에 제작된 고출력 SOA-DML의 출력 광세기를 측정한 결과를 나타내었음. DFB LD1의 주입전류는 70 mA로 고정하였고, SOA의 주입전류는 600 mA 까지 변화시 키며 출력 광세기를 측정하였음. 그림 2.3에서 볼 수 있듯이, 7 pair MQW의 활성층의 경우 상대적으로 confinement factor가 크기 때문에 SOA current가 낮을 때는 4 pair MQW 보다 높은 광세기를 나타내고 있으나, 242.5 mA에서 출력광세기가 급격히 감소 되어 최대 출력 광세기는 15. 48 dBm을 나타내었음
- 4 pair MQW의 경우 600 mA 까지 출력 광세기가 계속 증가하여, 최대 출력광세기는 18.64 dBm을 나타내었음. 4 pair MQW의 경우 활성층의 폭도 넓혀져 있으므로, current density가 7 pair MQW에 비해 현저히 낮기 때문으로 높은 주입전류에서도 breakdown이 발생되지 않는 것으로 생각되어 짐
나. 광대역 테라헤르츠파 발생용 포토믹서 모듈 개발 ○ 고출력 발생을 위한 UTC-PD 칩 개발 (그림 2.5) 설계된 UTC-PD Epi. 구조와 공정 완료된 웨이퍼 및 칩 사진 - 그림 2.5는 테라헤르츠 연속파의 고출력 특성을 위해 설계된 UTC-PD 에피 레이어와 공정이 완료된 2인치 웨이퍼 및 UTC-PD 칩을 나타냄 [2.4,2.5] - 흡수층의 두께는 총 170 nm이며, 이중 150nm는 4단계의 도핑 농도로 성장 (Step-doping profile)시켜, 흡수층 내부에 전위차(Built-in Field)가 형성되도록 설계하였 음 - 내부 전위차로 인해 전자는 흡수층에서 전극으로 고속 이동이 가능하여, 고효율/고출 력 테라헤르츠 발생이 가능하도록 하였음 - 추가적으로, 다이오드의 저항 값을 줄이기 위하여 기존 n-ohmic 레이어의 도핑 레벨, 1.5E18에서 올해에는 7.9E18으로 약 5배 이상 개선하였음 - 그림 2.6은 이러한 개선된 에피를 이용하여 공정 완료된 UTC-PD의 흡수층 면적에 따 른 출력 파워를 측정한 데이터로, 설계된 면적은 각각 Active A : 5x7=35μm2, Active B : 21.6μm2 으로 약 38%로 감소하여, 개선된 저항-정전용량 특성에 따라 측정된 테 라헤르츠파의 크기도 200~300GHz 대역에서 30~40%의 출력 향상을 보였음 (그림 2.6) 흡수 면적에 따른 UTC-PD와 측정된 파워 데이터
(그림 2.7) UTC-PD 출력 파워 측정 셋업
- 그림 2.7은 앞서 제작한 UTC-PD로부터 발생된 테라헤르츠파의 출력 파워 측정을 위 한 실험 구성도로 비팅 소스 LD1/T-LD2와 분배기, 편광제어기(PC), External SOA, UTC-PD, Power Meter, DC Supply로 구성되어 있으며, 이 중에서 파워 측정을 위한 Power Meter는 VDI Erickson calorimetric power meter, PM5를 사용하였음
(그림 2.8) UTC-PD 광전류 값에 따른 테라헤르츠파 파워 데이터 - 그림 2.8은 300 GHz에서 UTC-PD의 광전류 값에 따른 테라헤르츠파의 파워 데이터를 측정한 데이터로 DC 전압 –2V를 인가하였음 - 광전류가 증가함에 따라 출력 파워 값도 증가하여, 약 10mA에서 최대 60uW의 높은 출력 값을 나타내며, 이후 포화 현상이 발생하였음 - 이는 흡수층에서 순간적으로 많이 생성된 캐리어가 전극으로 빠져나가지 못하여 발생 하는 현상으로 보다 더 고출력 획득을 위해서는 빠르게 이동하는 에피 설계가 요구됨
(그림 2.9) 단일/이중 흡수층(Y-분배기)의 UTC-PD와 측정된 파워 데이터 - 추가적으로 앞서 흡수층의 포화 파워 출력 현상을 개선하기 위하여 Y-분배기 도파로 를 이용한 이중 흡수층의 UTC-PD 칩을 개발하였음 - 각 흡수층에서 발생한 전류는 동위상이 되어 단일 광대역 안테나를 통해 방사되어, 단 일 흡수층에 비하여 측정된 출력 파워는 220 GHz에서 약 1.7배, 300GHz에서 최대 1.3 배의 파워 향상을 보였음 - 따라서, 300GHz에서 단일 UTC-PD의 파워는 60μW를, 이중 흡수층 UTC-PD의 파워는 약 78μW로 측정 되었음 ○ 신뢰성 있는 테라헤르츠 발생기 개발 방향 - 개발된 발생 소자 모듈을 산업에 적용하기 위해서는 실험실 환경과 달리, 모듈의 안정 성, 신뢰성 확보를 위한 밀폐(hermetic packaging) 패캐징 개발이 요구됨. (그림 2.10) (a) 기존 개발 완료된 모듈과 (b) 개발 진행 중인 밀폐 구조 패키징 - 2.10 (a)는 기존에 실리콘 렌즈 타입 구조의 모듈로, 발생소자 칩 윗면과 서브마운트를 플립칩본딩(flip-chip bonding) 과정을 통해 결합 한 후, 칩 뒷면이 실리콘 렌즈 표면과 직접적으로 결합이 되는 구조로 발생 소자 칩은 단지, 실리콘 렌즈에 의해 가려져 있
는 구조로 발생소자 칩이 밀폐되지 않는 구조로 인하여 외부의 습도 및 온도 등의 변 화에 영향을 받기 쉬운 형태이며, 게다가 실리콘 렌즈가 외부의 충격에 의해 힘을 받 으면 직접적으로 칩이 손상되기 쉬운 구조임 - 반면, 그림 2.10(b)는 발생소자 칩의 뒷면과 실리콘 서브마운트를 플립칩본딩으로 결합 한 후, 칩 뒷면이 아닌 실리콘 서브마운트의 뒷면과 실리콘 렌즈 표면이 결합되는 구 조로 칩이 하우징 바디와 실리콘 서브마운트에 의하여 밀폐가 가능한 구조가 되어 산 업 현장에 적용이 가능한 모듈 제작이 가능할 것으로 판단됨 2. 광대역 테라헤르츠파 검출 소자 및 모듈 기술 개발
○ InGaAs를 활성층으로 하는 Schottky barrier diode를 제작, 두 종류의 모듈을 개발함. 감 지기로서의 SBD의 예는 [2.6-2.12]을 참조
- 응답도, Noise특성 등을 측정, 응답도는 VDI제품보다 우수함을 확인
- Noise측정 셋업은 이미 알려진 noise소스로 calibration하여 측정 정확도를 확인함. 3개 의 알려진 noise 소스를 측정, 셋업의 오차는 5%이하임을 확인
- 응답도가 높은 혼(Horn)안테나가 장착된 THz receiver를 제작. 렌즈타입 receiver에 비 해, 300GHz에서 3.4배 높은 응답도를 보였음. 스펙트럼상의 dip을 없앨 수 있는 모듈 을 진행 중 가. 광대역 쇼트키 다이오드 칩 및 모듈 개발 ○ SBD 부품의 테라헤르츠 검출 응답도를 높이는 가장 효과적인 방법은 소재/소자의 저 항과 정전용량을 줄이는 성장/공정 기술 개발 [2.10] - 본 실에서 연구 중인 무전압 동작이 가능한 InGaAs SBD 소재는 Metalorganic Chemical Vapour Deposition (MOCVD)를 이용하여 성장하고, 기본적인 박막구조는 Semi-insulating InP:Fe(100)기판위에 InP 완충층 (300 nm)을 성장한 이후 Ohmic layer (1000 nm)와 Schottky layer (200nm)를 성장이후 가장 중요한 Schottky layer를 보호하 기 위해 capping layer 역할을 하는 InP (100nm)를 성장함 [2.11]
- Reactive Ion Etching (RIE)를 이용해 Ohmic layer까지 건식 식각을 한 이후 Ohmic metal을 기존 사용했던 Ni/Ge/Au/Ni/Au 금속에서 확산이 적고 시간, 열 등에 안정적인 Ti/Pt/Au로 바꾸어 증착함
- InP capping layer는 H3PO4:HCl (6:1)를 이용하여 선택적 식각을 하고, 정전용량을 줄 이기 위한 SiO2을 즉시 올려 Schottky layer의 안정성을 확보하였으며, 원모양의 800 nm anode 패턴은 균일하게 얻기 위해 e-beam lithography를 이용하였고, anode 패턴 부분의 SiO2를 식각하여 anode metal인 Ti/Au를 증착함
- 정전용량을 줄이기 위해 메사(mesa)공정과 benzocyclobutene (BCB)를 이용하고, 안테 나 영향을 보기 위해 log spiral 안테나와 bowtie 안테나를 사용하였으며, 기생 정전용 량을 줄이기 위해 Channel공정을 진행함
만 변화를 줌
- (a)는 기존에 사용했던 기본적인 SBD 구조로 비교를 하기 위함이고, (b)는 저항을 낮 추기 위해 Ohmic layer 도핑을 1E19 cm-3으로 높였으나 장비의 성장시간 한계로 인 해 두께를 500 nm 성장, (c)는 Ohmic layer와 Schottky layer의 전도대 오프셋을 최소 화 하여 전자가 이동중 생기는 장벽을 없앤 구조이고, 마지막 (d)는 InP와 InGaAs 이 종접합 구조의 전도대에 생기는 spike를 줄이기 위해 InGaAsP의 조성과 도핑농도를 변화주어 spike를 최소화 한 구조임
(a) (b) (c) (d)
(그림 2.11) Ohmic layer에 따른 InGaAs SBD구조 (a)InGaAs(1E18 cm-3), (b)InGaAs(1E19 cm-3), ©(c)InP(1E18 cm-3), (d)Graded InGaAsP/InP(1E18 cm-3)
- 그림 2.12는 harold를 이용한 SBD구조에 따른 전도대 오프셋 전산모사 결과로, 반도체 는 서로다른 도핑농도나 이종접합을 하였을 때 fermi-level을 맞추기 때문에 전도대와 가전자대에 장벽이 생김 - SBD의 높은 응답도를 위해서는 저항을 최소화 하기 위해 Ohmic layer는 도핑농도가 높을수록 좋은데 대표적인 n-type 도펀트인 Si의 경우 격자상수가 크기 때문에 많은 양이 들어가면 InGaAs 박막에서 스트레인이 커지게 되고 결함이 생겨 전하 이동을 방 해하는 요소가 되어 일반적으로 1E19 cm-3의 도핑농도를 최고치로 볼수 있음
- Schottky layer도 Schottky contact가 유지되는 최대한 높은 도핑농도가 좋지만 InGaAs 의 경우 6E17 cm-3 이상이 되면 ohmic 특성이 보이기 시작하기 하는데 공정시에 BCB curing, flip chip bonding 등 열처리를 해야하기 때문에 2E17 cm-3 이하로 선택 함
- (a)는 서로다른 도핑을 가지고 있는 InGaAs의 전도대 오프셋으로 전하농도차이로 인하 여 Ohmic layer와 Schottky layer사이에 0.12 eV의 장벽을 가지며, 이 값은 n-InGaAs 와 Ti를 접합했을 때 생기는 Schottky barrier인 0.15 eV와 비슷한 수치로 전자이동도 를 감소하는 요인임 [2.12]
- (b)는 InP를 Ohmic layer로 사용하였을 때 만들어지는 전도대 오프셋이며, 장벽은 0.016 eV로 상온의 열에너지(0.026 eV)보다 작게 디자인하였고, InP와 InGaAs의 band alignment되면서 발생하는 spike도 0.02 eV로 상온의 열에너지 보다 작아 상온동작에 서 무시가능함
(a) (b)
(그림 2.12) (a)동종접합과 (b)이종접합의 SBD구조에서 계산된 전도대 오프셋
- 그림 2.13은 SBD의 Ohmic layer에 따른 IV 특성과 THz 검출특성으로 IV 측정은 전류 가 크면 소자가 데미지를 받기 때문에 –20 mV부터 20 mV까지 전압을 인가함
- 저항은 Ohmic layer가 InGaAs(1E18 cm-3)의 도핑농도를 가진 구조가 높게 나온 것을 확인 할 수 있었으며, Graded InGaAsP/InP(1E18 cm-3)의 샘플이 예상과 다르게 InP(1E18 cm-3)와 큰 차이가 나는 것을 확인하였는데 Graded InGaAsP가 밴드갭 spike 를 완화시키는 역할을 하지 못한 것으로 생각되고, 이는 이종접합이 계속되면서 spike 와 계면을 생성하면서 전자의 이동을 방해한 것으로 사료됨
- 같은 농도(1E18 cm-3)를 가지고 있는 InP와 InGaAs 의 Ohmic layer에 따른 IV 특성을 확인하면 전자의 양은 비슷하지만 작은 전압에서 저항차이가 큰 것을 확인할 수 있음 - 테라헤르츠 검출특성도 InGaAs(1E18 cm-3)의 샘플이 가장 낮은 응답도를 보이고 있었 고 InGaAs(1E19 cm-3)샘플은 InGaAs(1E18 cm-3)와 비교하였을 때 비슷한 그래프를 유 지하면서 신호와 노이즈가 증가하는 모습을 보이고 있으며, Graded InGaAsP/InP(1E18 cm-3)와 InP(1E18 cm-3)는 InGaAs의 샘플들 보다 높은 응답도를 가지고 있었고 거의 비슷한 그래프 모양을 보임 (a) (b)
(그림 2.13) Ohmic layer에 따른 (a)IV curve와 (b)THz 검출신호
- 그림 2.14는 Ohmic layer에 따른 노이즈 특성 측정결과로, 참고를 위해 1, 5, 10 kΩ의 저항체를 측정하여 각각 4.1, 9.2, 13 nV/sqrt(Hz)의 값을 얻었음
- SBD 측정결과 InGaAs(1E18 cm-3), InGaAs(1E19 cm-3), InP(1E18 cm-3), Graded InGaAsP/InP(1E18 cm-3)의 노이즈 값은 각각 9.1, 14.5, 12, 40 nV/sqrt(Hz)로 측정됨
(그림 2.14) Ohmic layer별 Noise spectral density
- 그림 2.15는 Channel형성된 사진과 planar와 channel type의 테라헤르츠 응답도 차이 를 보여줌
- 앞에서 설명하였듯이 SBD의 특성을 좋게 만드는 방법은 저항과 정전용량을 줄이는 것 으로 저항과 접합 정전용량은 박막구조와 공정구조가 확정되면 값이 정해지며, 간단한 방법으로 특성향상 시키기에는 어려움이 있지만 기생정전용량의 경우 식각공정을 통 해 간단하게 줄일 수 있음
- 사진과 같이 anode finger 아래쪽을 SI-InP:Fe기판까지 식각하여 channel을 형성하였고 channel 형성 전과 후의 테라헤르츠 검출특성을 비교하면 주파수에 따른 차이가 있지 만 7~10배 이상 검출신호가 증가한 것을 확인함 (a) (b) (그림 2.15) (a)Channel공정이 완료된 SBD 광학현미경 사진 (b)channel로 인한 THz 검출신호 - 그림 2.16은 안테나 종류에 따른 S11전산모사 결과와 실제 테라헤르츠 응답도로, Si lens를 이용한 광대역 SBD 검출기의 경우 가능한 넓은 대역에 걸친 검출이 가능하면 서, 주파수에 따른 응답도도 비슷한 것이 좋음
- 안테나에 따른 테라헤르츠 응답도를 확인하기 위해 log-spiral과 bowtie antenna의 S11 파라미터를 전산모사한 결과로 Log-spiral antenna 경우 200 GHz 미만에서는 높은 S11 값을 가지고 있지만 200 GHz이후에 급격한 감소를 보였고, bowtie antenna 경우 100 ~ 500 GHz까지 주파수에 따라 큰 차이가 없는 S11값을 확인함
- 오른쪽 그래프는 실제 공정된 SBD의 테라헤르츠 검출특성으로 100 GHz 대역에서는 log-spiral antenna가 높은 응답도를 보이고, 200~400 GHz는 bowtie antenna가 높은 응 답도를 보이며 전산모사 결과와 일치하는 것을 확인함
(a) (b)
(그림 2.16) (a)안테나별 S11 시뮬레이션 (b)실제 측정 스펙트럼 나. 혼안테나(Horn antenna)형 THz Receiver 모듈 개발
○ Horn antenna타입은 렌즈를 사용한 집적형 Planar antenna를 사용할 때 보다 더 높은 응답도를 보일 수 있음. 이러한 이유로 Horn antenna타입의 receiver를 제작하였음
- 제작/측정 결과, 그림.1의 측정결과에서 볼 수 있듯이 전반적인 응답도는 집적형 antenna를 사용한 경우보다 높았음. 응답도를 보면, 렌즈 타입의 receiver에 비해, 300GHz근처의 주파수에서 3.4배의 응답도를 보임 - 혼 타입의 receiver모듈은 320GHz대역의 주파수에서 세기가 3.6uW인 입력을 넣었을 때, 출력이 4.26mV로 측정되어, 1200V/W정도의 응답도를 보였음 (그림 2.17). - 그러나, 스펙트럼상의 특정주파수에서 응답도가 낮아지는 dip이 관찰되었음. 그림 2.17는 측정된 혼 안테나형 receiver의 감지 스펙트럼임. 먼저 그러나, 감지스펙트럼 의 중간에 dip이 발생하는 것이 관찰되었음 - 이 원인을 분석하기 위해, HFSS로 분석하였음. 분석 결과 도파로의 끝단에서 신호반사 가 있어, 공진기를 형성하여, 상쇄간섭이 있는 주파수에서 스펙트럼상의 dip이 발생하 였음. 이를 극복하기 위해, 도파로 끝단 전에 THz필터를 두어, 긴 거리에서의 반사를 억제할 필요가 있음
200 300 400 500 1E-8 1E-7 1E-6 1E-5 1E-4 1E-3 0.01 Horn antenna Bowtie antenna(lens type)
V o lt a g e ( V ) Frequency (GHz)
(그림 2.17) (좌)혼 타입 receiver와 렌즈타입 receiver의 감지 스펙트럼 (우) Responsivity
- 그림 2.18은 Horn 타입 receiver의 조감도임. 여기서 THz필터를 넣었을 때와 안 넣었 을 때의 스펙트럼을 그림 2.19에 나타내었음. 필터가 없을 경우, 좌측 그림과 같이 같 이, 스펙트럼 상에 dip이 발생하는 것으로 시뮬레이션 됨. 반면에, 필터를 삽입하여 시 뮬레이션 해보면, 우측 그림과 같이 dip이 없는 깨끗한 스펙트럼이 나오는 것으로 시 뮬레이션 됨 (그림 2.18) Horn 타입 Receiver의 조감도 200 220 240 260 280 300 320 340 -30 -20 -10 0 S 1 1 [d B ] Frequency[GHz] InP_Z='40um' InP_Z='50um' InP_Z='60um' InP_Z='70um'
Including WR3.4, VDI metal block, ETRI 6 PAD, wo filter
200 220 240 260 280 300 320 340 -10 -8 -6 -4 -2
0 Including WR3.4, VDI metal block, ETRI 6 PAD, with filter
S 1 1 [d B ] Frequency[GHz] InP_Z='40um' InP_Z='50um' InP_Z='60um' InP_Z='70um' (그림 2.19) (좌) 필터가 없을 때 (우) 필터 삽입 후
- 한편, 스펙트럼은 SBD칩의 크기에 따라서도 다른 결과를 보이는 것으로 나타남 - 그림 2.20는 칩 크기에 따른 스펙트럼 변화를 나타낸 시뮬레이션 결과임. 두 그림을 비교해보면, SBD칩의 크기가 작을수록 높은 주파수에서 더 깨끗한 스펙트럼을 얻을 수 있음을 보임 200 220 240 260 280 300 320 340 -25 -20 -15 -10 -5 0
Including WR3.4, VDI metal block, ETRI 6 PAD, with filter
S 1 1 [d B ] Frequency[GHz] InP_Z='80um' InP_Z='90um' InP_Z='100um' 200 220 240 260 280 300 320 340 -25 -20 -15 -10 -5 0 S 1 1 [d B ] Frequency[THz] InP_Z='40um' InP_Z='60um' InP_Z='80um' InP_Z='100um' (그림 2.20) 칩 크기별 스펙트럼 (좌) 320umX300um (우) 180umX80um
- SBD칩의 크기가 작으면, Flip-chip본딩 시, dummy PAD를 넣을 수 없어, 본딩 강도가 약할 수 있음. 이는 제작을 완료한 후 특성을 알 수 있고, 진행 중에 있음 - 현재, 필터를 삽입한 quartz chip을 제작하였고, SBD칩의 크기는 그림 2.20의 시뮬레이 션 결과에서 사용한 두 종류(320umX300um와 180umX80um)로 제작, 모듈화 진행 중 3. 나노 전극 기반 테라헤르츠 검출 소자 기술 개발 ○ 나노전극을 이용한 호모다인 THz 검출 소자 및 정류 소자 개발 - 나노전극의 전계 향상 효과와 플라즈몬 효과를 이용, 초고속 전하동역학 제어 가능하 므로, 이를 이용한 THz 검출 소자 개발 가. 나노전극 기반 THz 검출 포토믹서 소자 개발
- 지난 연도 보고서의 주요 내용과 관련하여, "Photo-conductive detection of continuous THz waves via manipulated ultrafast process in nanostructures"라는 제목의 논문이 SCI 저널인 Applied Physics Letters에 게재 (Vol. 112, 031102, 2018년 1월 16일) [2.13] - 나노구조의 기하학적 구조와 I-V 곡선 사이의 관계 연구, 소자의 동작 메커니즘에서
반도체-전극 접합의 중요성을 논의하고, 실제 측정된 시간 영역 파형 제시 - 실험에 사용된 나노 구조는 다음 그림과 같음
(그림 2.21) 나노전극 구조 및 개수 - C 행은 지난 논문에 투고된 구조이며, A, B는 전극 끝 부분에서의 전계효과를 이용하 여 검출 효율을 보다 높이기 위한 추가적인 구조들임. 그림에서 연두색 영역은 50nm 두께의 InGaAs 층을 식각한 후 남은 메사 구조. 각 전극 사이의 간격은 50nm - I-V 특성들을 측정, 그 결과를 아래 그림에 나타냄 (그림 2.22) 나노전극 I-V 곡선 비교 - 전극 개수가 늘어남에 따라 전류가 커지는 결과. A,B의 경우 비대칭적인 I-V 곡선이 나타남 - 실제 THz 검출시, 이러한 비대칭적 I-V 곡선을 나타내는 구조에서는 일정 수준 이상 의 DC offset이 실린 시간 대역 파형을 얻음 - 반면, C 구조의 경우, 대칭적인 I-V 곡선을 보였으며, 다음 그림에 나타낸 바와 같이 오프셋 없는 시간 영역 신호 측정이 가능하였음
(그림 2.23) 300 GHz에서 측정한 시간 영역 파형 - 오프셋 및 비대칭적 I-V 곡선이 발생한 원인은 n 및 p 전극(편의상)과 InGaAs 흡수 영 역의 접촉 면적 차이인 것으로 추정 - 실제 반도체 공정에서, 전자빔 리소그래피의 정렬 오차는 50 nm 수준으로, 이로 인해 InGaAs 메사와 전극이 정확히 정렬되지 않을 수 있음 - 이로 인해, n 및 p 전극과 InGaAs 메사와의 접촉 면적이 달라지고, 이에 의해 비대칭 적 전류 흐름 및 오프셋이 발생한 것으로 추정 - C 구조의 경우, 상하 정렬이 다소 어긋난다 하더라도 각 전극과 InGaAs 메사와의 접 촉 면적은 동일하기 때문에, I-V 곡선상의 비대칭성이나 이로 인한 오프셋 등이 발생 하지 않음 - 이러한 문제의 해결을 위해서는 반도체-금속간 접촉 전위를 제거해야 하나, 소자 구조 상 도핑 등의 해결책을 적용하기 어려운 문제 존재 - 추가적인 소자 성능의 개선을 위해 양자우물 구조 적용 고려 - 양자우물 구조에서는 양자효과에 의한 전자/정공의 이동도 향상을 기대할 수 있으므 로, 소자 성능의 개선이 기대됨 - 반면, 전하포집과정에서 양자우물의 barrier 층을 통한 전자 이동은 다소 불확실 나. 비대칭 나노전극 구조에서의 THz 정류 현상을 이용한 검출 소자 - 비대칭 나노전극 구조에서 나타나는 정류 현상을 이용한 THz 검출 소자 개발
- 관련 논문 게재. "Terahertz rectifier exploiting electric field-induced hot-carrier effect in asymmetric nano-electrode," Nanotechnology 29, 47LT01 (2018.9.26.) [2.14].
- NEP 측정 등 추가 노이즈 관련 연구 수행
- Noise 측정을 위한 실험 장치 구성은 다음과 같음
(그림 2.24) 노이즈 측정 셋업 구성도
- 측정 소자 (DUT)는 금속 Shielding box 내에 배치하여 외부 noise 차단 - SRS 560 Low-Noise Amplifier의 gain은 10 V/V로 설정, 50 Ω matching
- HP E4402b Spectrum analyzer 이용, Noise Power 측정. 측정 범위는0~100 kHz, 단위 는 Watt, Resolution Bandwidth (RBW)는 1 kHz, 주파수 간격은 0.25 kHz로 설정
- 측정시 장비의 배경 noise를 확인하기 위해 Short circuit의 Noise power spectrum 측 정하여, 이를 기준으로 DUT의 Noise power spectrum 측정
(그림 2.25) Short circuit 및 DUT의 Noise power spectrum (DC~100 kHz)
- Short circuit의 noise power를 DUT 측정결과로부터 빼면, 실제 DUT의 noise power를 알 수 있음
- 이를 RBW로 나누어 1 Hz당 Noise power를 구하고, 측정 주파수 간격 0.25 kHz를 곱 하여 Integrated Noise Power를 구함. 여기에 impedance (50 Ω)를 곱하고 전체 측정 밴드폭 100 kHz로 나눈 후 square root를 취하고, LNA Gain (10 V/V)으로 나누면 최
종 Noise Voltage Spectrum을 얻음. 그 결과를 아래 그래프에 나타냄
(그림 2.26) DUT의 Noise Voltage Spectrum
- 측정 결과, 상용 소자 노이즈의 1/5 수준인 것으로 확인됨 [2.6]. Responsivity (10.8 V/W)를 고려한 최종 NEP는 100 pW/rtHz 수준
- NEP의 개선을 위해서는 소자의 responsivity를 더 높일 필요가 있음. Noise 자체가 작 은 원인은 전극간 간격이 매우 작고, 전하 이동 채널의 두께가 매우 얇음으로 인해 charge depletion region으로부터의 shot noise가 작기 때문인 것으로 생각됨
4. 테라헤르츠 파면 제어 기초 기술 연구 가. 1x4 테라헤르츠 공간 분배 및 결합 기술 개발 ○ 1x4 테라헤르츠 발생 모듈의 위상 제어에 따르는 빔 성형 연구 - 수치적 계산의 기본 조건 Ÿ 주파수 300 GHz 인 경우, 1x4 Tx 모듈의 위상 분포에 따른 공간적 필드 분포에 대 한 수치적 계산 수행 Ÿ 각 모듈에서 방사되는 THz 빔은 Gaussian 빔의 형태를 띠고 있는 것으로 가정 Ÿ Gaussian beam의 공간적 필드 분포는 다음과 같은 식으로 표현 가능 [2.15] Ÿ exp , 이 때,
,
, tan ,
Ÿ 위 식에서 는 Gaussian beam의 waist radius를 의미하며, 는 depth of focus의 절반이 되는 거리를 의미
Ÿ 각 소스의 방사각은 디자인 파라메터로서 위 식에서 값을 통하여 모델링이 가능 하며, 현실적으로는 안테나 또는 렌즈의 설계를 통하여 구현이 가능
으로 계산하여 파면제어를 위한 THz 발생 chip 또는 모듈의 조건에 대한 기본적 조 사 수행 - Case I: Tx가 1x4 어레이 칩의 형태인 경우 Ÿ 값이 10λ인 경우와 5λ인 경우 두 가지 경우에 대하여 계산 수행 Ÿ 각 소스의 위상은 소스가 놓인 면으로부터 L 만큼 떨어진 지점에서 위상 정합이 일 어날 수 있도록 위상 분포를 설정 Ÿ
, Ÿ 여기서 Γ는 네 개의 THz 발생 소스 중, 바깥쪽에 위치한 두 소스의 위상이 가운데 에 위치한 두 소스의 위상에 대하여 갖는 상대적 위상, S는 소스간의 거리 Ÿ 아래 그림은 각 소스간의 거리에 따라 나타낸 공간상의 필드 분포를 나타내며, 하나 의 S값에 대하여 네 소스의 위상이 모두 같은 경우와 네 개 중 바깥쪽 소스 두 개 의 위상이 Γ인 경우를 대비하여 나타내었음 Ÿ 값이 10λ인 경우는 빔의 방사각이 작은 경우를, 값이 5λ인 경우는 빔의 방사 각이 큰 경우를 의미 Ÿ 계산 결과, 약 60mm 떨어진 거리에 THz 파의 전달 세기를 키우는 것이 목적인 경 우를 가정 할 때, 두 경우 모두에서 칩간 간격이 약 4mm 인 경우에 가장 효율적인 빔 프로파일을 얻을 수 있음을 확인 Ÿ 다만, 좁은 방사각의 경우, S=4mm에서 위상차를 줌에 따라, side robe가 거의 없는 빔 프로파일을 얻을 수 있는 반면, 넓은 방사각의 경우에는 위상차를 주지 않은 경 우의 프로파일이 보다 좋은 것으로 확인 (그림 2.27) 값이 10λ인 경우 소스간의 거리에 따르는 공간상의 필드 분포 (그림 2.28) 값이 5λ인 경우 소스간의 거리에 따르는 공간상의 필드 분포- Case II: Tx가 1x4 모듈의 어레이형 배열 형태인 경우 Ÿ 값이 2λ, 5λ, 10λ인 경우에 대하여 종전과 동일한 계산 수행 Ÿ Tx가 칩 어레이 형태인 경우와 달리, 개별 모듈의 배열인 경우에는 소스간의 간격 이 최소 10mm 이상 떨어져 있어야 함 Ÿ 이 경우에, 공간적인 간격 배치와 위상 조절을 통하여 필드의 공간적 분포를 어느 정도까지 조절 할 수 있는지 가능성을 검토 Ÿ 아래 계산 결과에서 볼 수 있듯, 큰 방사각을 갖는 경우에도 공간적으로 특정 지점 에서 균일한 형태의 필드 프로파일을 얻기는 어려운 것으로 판단됨 Ÿ 모듈의 배열 형태를 호를 따라 배치하는 등의 방법으로 특정 지점에 필드를 모으는 것은 가능할 것으로 예상되나, 위상 조절에 의한 위치 가변적인 초점 이동은 어려울 것으로 판단됨
(그림 2.29) 모듈을 어레이 형태로 배열한 경우의 필드의 공간분포 Ÿ 다만, 특정 위치 보다는 어느 정도 넓은 영역에 필드 에너지를 전달하는 것이 목적 인 경우에는 모듈 어레이 형태의 구성도 활용이 가능할 것으로 보임 Ÿ 이상의 결과로부터, 파면제어를 위한 소스의 형태는, 개별 모듈의 조합 보다는 어레 이칩 형태의 소스로 개발되어야 할 것으로 판단됨 나. THz Telecentric f-θ HDPE 렌즈 설계 및 개발 (영상면적: >6x6cm2) ○ THz Telecentric f-theta 렌즈 설계 - f-theta 렌즈의 설계 및 제작 (그림 2.30) telecentric f-theta 렌즈 설계 도면
Ÿ 광학 설계용 소프트웨어인 Zemax optics studio를 사용하여 설계 [2.16]
Ÿ ±20°스캔 각에 대하여 보다 넓은 면적의 THz 이미지를 얻기 위하여 렌즈의 직경
을 확대
Ÿ Optical clear aperture 15cm x 15cm Ÿ Mechanical clear aperture 16cm x 16cm Ÿ Working distance 15cm
Ÿ Back focal length 13cm - 설계된 렌즈의 오차 분석
(그림 2.31) 설계된 f-theta lens의 grid distortion plot
Ÿ 설계된 f-theta 렌즈의 grid distortion 조사 결과: 그림에서 나타난 바와 같이, 설계 상 중심부 약 6.1cm x 6.1cm 영역에서 공간적 초점의 distortion이 거의 없는 것으로 조사 Ÿ 목표 영역 6cm x 6cm에 대한 f-theta telecentricity를 만족하는 설계가 이루어진 것 으로 평가 Ÿ 렌즈 외곽부의 distortion을 제거하기 위하여서는 현재의 단렌즈 기반 설계가 아닌, 두 겹 이상의 렌즈 세트를 구성하도록 설계하는 것이 바람직할 것으로 보임 - f-theta 렌즈의 제작
Ÿ 설계된 도면을 바탕으로 렌즈의 제작은 테라헤르츠 대역에서 색분산과 흡수가 낮은 폴리머 재질인 HDPE(High-Density Polyethylene)물질을 사용하여 렌즈 가공 전문 업 체를 통하여 DTM(Diamond Turning Machine) 가공으로 제작
Ÿ 렌즈의 지름과 두께가 증대되어 전체 시스템의 부피와 무게에 있어 부담이 될 수 있는 수준의 크기로 제작이 된 측면이 있음
Ÿ 향후, 더 넓은 영상면을 얻기 위해서는 현재와 같이 빔 스플리터와 스캐너 중심의
영상 시스템을 벗어나, 조명 광학계와 촬상 광학계를 분리한 형태의 시스템을 추구 하는 것이 바람직할 것으로 판단됨
○ Polygon mirror scan을 위한 retro-reflecting mirror면 설계
- Galvano mirror를 대체하기 고속 이차원 스캔이 가능한 가벼운 재질의 polygon mirror 를 이용한 scan 방식으로 이미징 시스템의 방식이 결정됨에 따라, 비대칭적 빔 궤적으 로 인한 영상 왜곡과 폴리곤 미러의 회전 속도의 비동기로 인한 영상의 왜곡 두 가지 를 소프트웨어적 후처리로 보정하기 위한 물리적 기준점 마련을 위하여 retro-reflecting mirror를 설계
Ÿ retro-reflecting mirror는 f-theta lens를 통하여 스캔이 이루어지는 빔 궤적의 외곽 에 존재하여 스캔 빔을 정반사로 빔스플리터에 돌려주는 기능 Ÿ 빔 폭의 전체 또는 일부를 강하게 돌려주어, 스캔 후 얻어지는 영상에서 기준 위치 로 활용이 가능한 강한 신호선 제공 용도 Ÿ zemax를 사용하여 폴리곤의 궤적에 따른 빔의 궤적을 추적, 스캔 영역 이상의 각도 (입사 빔과의 각도가 50°)에 대하여 빔을 진행하여오던 방향 그대로 되돌려주는 (retro-reflecting) 거울면을 설계 Ÿ 각각의 거울면은 빔의 크기에 의하여 연속적이지 않기 때문에, 스캔각의 간격을 1도 간격으로 변화시키면서 거울면의 궤적을 추적, 그 외곽을 따라 거울이 가공 될 수 있도록 캐드 도면을 제작 가공 업체에 의뢰하여 제작 (그림 2.33) 설계된 retro-reflecting mirror면의 동작 모습
5. 자체 개발된 핵심 기술을 활용한 테라헤르츠 응용 기술 가. 입사빔 확대 테라헤르츠 영상 시스템 결과 ○ 기본 시스템 설계, 구현 및 성능 검증 - THz Telecentric f-θ 렌즈를 이용한 반사형 THz 영상 시스템의 해상도를 높이기 위 해 시준된 입사빔의 지름을 확대하고 THz파의 주파수를 높이는 것을 고려함 - 실제적 응용이 가능한 해상도 목표를 1 mm 이하로 설정하고, 이를 얻기 위한 파라미 터로 주파수, 빔지름 및 렌즈의 초점거리를 지정, Gaussian Optics 기법을 기반으로 다 양한 경우에 대해 계산 - 빔 지름 5 cm, 렌즈의 초점거리 7cm로 하였을 때, 670 GHz에서 초점 빔 반경이 0.8mm로 나타났음. 계산 결과의 일부를 아래에 보임 (그림 2.34) 빔지름 5cm인 THz 빔의 집속 특성 - 주파수를 더 높이고 빔 지름을 더 크게 하면서, 초점 거리를 더 줄이게 되면 더 높은 해상도를 얻을 수 있음 - HDPE나 Teflon과 같은 예를 제외하면, 일반적인 플라스틱 물질의 경우 주파수가 1 THz 이상이 되면 물질 자체의 흡수 계수가 높아지기 때문에 [2.17], 실제적 응용 가능 성의 측면에서 더 주파수를 높일 필요는 없음 - 또한, 빔 지름을 더 키우면 시스템의 크기가 증가하고, 초점 거리를 더 줄이게 되면 집속 빔의 초점 심도가 너무 줄어들어, 투시 이미지라는 시스템의 목적에 부합하지 않음 - 이러한 사항들을 고려하여, telecentric f-θ 렌즈 및 beam expander를 설계 및 제작.
광학 부품 설계에 관한 자세한 내용은 앞 절에 설명함
(그림 2.35) (좌) 회전단면거울 기반 영상 시스템 개념도 (우) 시스템 구성 사진
- 비팅 광원으로써 Dual-Mode Laser (DML) 및 Dual-Wavelength Laser (DWL)를 이용하 였으며, DWL/DML은 각각 0~0.5 THz/0.5~1.2 THz의 주파수를 커버함
- 비팅 광원은 Uni-Traveling Carrier Photo Diode (UTC-PD)를 통해 광-THz 변환됨. 발 생한 THz 광원은 HDPE 재질의 초점거리 11mm인 렌즈 L1을 통해 집속 후, 초점거리 65mm인 HDPE 렌즈 L2에 의해 빔 지름 5cm인 시준 빔을 형성
- 시준 빔은 박막형 빔 가르게 (BS)를 거쳐 회전 단면경 M1에 의해 반사되어 Telecentric f-θ렌즈인 L3에 입사됨
- L3는 HDPE 재질로, 이미지 면적은 8cm×8cm, front working distance는 70 mm로 설 계 및 제작됨
- 회전단면경의 지름은 기울기 및 스캔 각에 따른 유효면적을 고려하여 90 mm의 지름 을 갖도록 하였으며, step motor를 이용하여 기계적으로 2축 방향으로 스캔 가능하도 록 구성
- 스캔 축은 Axis 1 (φ), Axis 2 (θ) 두 방향이며, 이에 추가로 샘플을 스캔하는 Axis 3 (x)를 추가하여 총 3축 구동이 가능. 따라서, 2차원 이미지를 얻기 위한 방법은 Axis 1 과 Axis 3을 이용한 φ-x 스캔 (mode 1) 및 Axis 1과 Axis 2를 이용한 φ-θ 스캔 (mode 2)의 두 가지 방법이 가능
- 670 GHz에서 설계 해상도를 얻을 수 있는지를 확인하기 위해, USAF 1951 해상도 표 준 시편을 이미징, 설계 해상도인 0.8 mm 보다 우수한 0.7 mm의 해상도를 얻음 - 이미징 결과를 아래 그림에 나타냄
(그림 2.36) (좌) 0.67 THz에서 획득한 USAF 1951 표준시편 이미지 (우) 해상도 참조표 - 위 이미지는 mode 1 이미징 결과로, x 축을 컨베이어 벨트 등으로 대체하면 연속적인 시편 이미지를 얻을 수 있다는 장점이 있음 - 고정된 시편을 이미징하기 위해서는 mode 2 구동해야 함 - Mode 2 이미징에서, 거울의 각도를 φ와 θ로 나타내고, 거울에 반사된 THz 빔의 L3 중심축에 대한 수평/수직 각도를 각각 α, β라고 할 때, φ/θ와 α/β 사이의 관계는 단순하지 않으며, 이로 인해 이미지 왜곡이 발생 - 사각 격자를 mode 1, mode 2로 이미징한 결과를 아래 그림에 보임 (그림 2.37) (좌) 사각 금속 격자 (중) Mode 1 이미징 결과 (우) Mode 2 이미징 결과 ○ Mode 2 스캔시 이미지 후보정 - 거울각 및 반사각 사이의 함수 관계로 인해, mode 2 이미지에서 상당한 왜곡이 발생. 이러한 왜곡 현상을 후보정하기 위하여 거울각(φ,θ)과 반사각(α,β) 사이의 수학적 관계를 간단한 벡터 계산을 통해 유도함
(그림 2.38) 거울각과 반사각 사이의 관계 - 그림 2.38에서 거울에 입사하는 THz 빔의 단위벡터는 로, 거울 면에 수직한 벡터는 으로, 반사된 THz파의 방향 단위벡터는 로 나타냄. 거울의 로컬 좌표축을 프라임 좌표축으로 나타내었으며, 이 좌표계에서, 거울 단위벡터는 다음과 같이 나타남 - 한편, x-y 좌표계와 x'-y' 좌표계의 관계는 다음과 같음 - x-y 좌표계에서 거울의 단위벡터는 다음과 같이 변환됨 - 이로부터, 반사파의 방향 단위벡터는 다음과 같이 계산됨 - 다음 두 식에 의해 반사각 α,β를 거울각 φ,θ의 함수로 나타낼 수 있다. , - 구체적인 관계식은 다음과 같이 나타남
- 변환 식을 Python으로 구현, 이미지 보정. 그 결과를 아래 그림에 나타냄 (그림 2.39) (좌) 원본 이미지 (중) 보정 후 이미지 (우) 반사각-위치 매핑 (L3) - 보정 결과, 이미지 왜곡의 상당 부분이 제거. 그러나, 여전히 이미지 외곽부에 약간의 왜곡이 관찰됨 - 원인을 파악하기 위해 L3 렌즈 설계 재검토 결과, 위 그림 우측에 나타낸 바와 같이, 렌즈 설계 자체에 왜곡 요인이 존재함을 파악함 - 이는 설계시 최적화 과정을 단축하기 위해, 그림의 붉은 점선 속의 세 점으로 최적화 를 수행하였기 때문에, 중심으로부터의 거리가 설계 최적화 범위를 벗어난 경우에 대 해 왜곡이 발생했던 것으로 추정. 실제 렌즈 설계 면적 외부에서 나타나는 왜곡임 - Mode 2에서 현대 자동차로부터 제공받은 커넥터 샘플을 이미징, 그 결과를 아래 그림 에 나타냄 (그림 2.40) (좌) 커넥터 이미지 (우) 실제 사진 - 해당 시스템의 높은 해상도로 인해, 비교적 깔끔하게 이미지를 얻을 수 있었으며, 내 부 구조를 반영하는 복잡한 형상들이 이미지에 나타남을 확인
○ 단일 파장 이미징 문제점 및 이를 극복하기 위한 광대역 간섭 이미지 기법 연구 (그림 2.41) 포인터 투시 이미지 (a) 포인터 내부 사진 (b) 체결 후 포인터 (c) 포인터 체결 후 THz 이미지 (d) 체결 전 THz 이미지 (d) 포인터 내부 확대사진 (d) 체결 전 THz 이미지 확대사진 (g) 체결 후 THz 이미지 확대 사진 - 위 그림에 상용 포인터 제품의 THz 이미지를 나타냄. THz 이미징의 주된 의의는 투시 이미지가 가능하다는 점에 있으며, 따라서 이러한 투시 성능 및 문제점들을 파악하기 위해 상용 소형 전자제품인 포인터를 대상으로 투시 이미지의 가능성을 연구함 - 위 그림의 (a)에는 포인터의 내부 모양, (b)는 체결 후 사진, (c)는 포인터 조립 후 얻 은 THz 이미지이며, (d)는 뚜껑을 열고 재측정한 포인터의 THz 이미지로, 결과에서 볼 수 있듯이, 포인터 뚜껑을 닫은 후에도 포인터 내부의 구조가 일부 확인됨을 알 수 있 으며, 뚜껑을 연 상태에서 THz 이미지를 얻은 결과, 내부 PCB 기판의 금속 패턴들이 뚜렷하게 나타남을 알 수 있음 - 금속에서 THz파의 반사가 크기 때문에, 이미지상에서 금속이 뚜렷하게 나타나는 것이 당연한데, (c)에서 보인 뚜껑 체결 후의 이미지에서는 일부 영역에서 금속 패턴이 오 히려 어둡게 나타나는 모습이 확인됨 - 이는 그림 (e)-(f)에서 보다 명확히 확인할 수 있는데, 뚜껑에 의해 이미지의 일부 영 역에서 명암이 뒤바뀌는 현상이 나타남 - 이는 연속파 단일 파장 THz 광원으로 이미징함에 따른 간섭 현상으로 생각되는데, 실 제 뚜껑의 형상은 가장자리에서 곡면을 이루고 있으며, 이에 따라 뚜껑과 기판 사이의 거리 등이 포인터 중심 영역과 가장자리에서 달라짐. 따라서, 위 그림의 (g)에 보인 바 와 같이, 금속 패턴의 명암이 중심부와 가장자리에서 반전되는 현상이 나타나는 것으 로 추정
- 이를 보다 명확히 하기 위해, 금속 격자의 이미지를 얻고, 다시 금속 격자와 L3 사이 에 A4 용지를 배치하여 A4 용지를 투시하여 뒤편의 금속 격자를 이미징 하여, 간섭 효과를 확인함 (그림 2.42) (좌) 금속 격자 이미지 (우) A4 용지 뒤편의 금속 격자 투시 이미지 - 위 그림에 보인 바와 같이, 금속 격자 앞에 A4 용지를 삽입한 결과, A4 용지에 의한 추가적인 반사파로 인해 간섭이 발생, 이미지상에 다수의 간섭 무늬가 나타남이 확인 됨 - 이러한 간섭 현상은 주파수가 높아질 경우, 이미지상에 보다 현저히 나타나며, 고해상 도 이미징을 위해서는 해결해야만 할 문제점 - 현 상태에서, 간섭 제거, 신호 세기 향상을 통한 이미지 품질의 향상을 위해 간섭계를 이용한 광대역 적분 이미지를 시도. 다음 그림에 간섭계 셋업을 나타냄 (그림 2.43) M3를 삽입, 간섭계 시스템 구성
- 위 그림에 탈착 가능하도록 구성된 M3를 넣음으로써 형성된 간섭계를 나타냄
- 검출 소자인 Schottky Barrier Diode (SBD)에 나타나는 전류 신호는 THz파에 의해 발 생한 전위차의 정류에 의해 나타남
- 이는 근사적으로, SBD의 비선형적인 I-V 특성을 Taylor expansion한 결과에서, 전위차 의 제곱 항에서 나타나는 직류 성분으로 간주할 수 있음
- SBD의 전류 출력은 다음 Taylor 전개를 통해 나타낼 수 있음
- 여기서 Vt는 SBD의 문턱 전압이며, VTHz는 입사한 THz파에 의해 SBD의 metal-semiconductor 접합부에 인가되는 전압이며, 실제 정류 작용은 제곱 항에 의해 결정됨 (아래 식의 붉은 색)
- VRef, VObj는 각각 참조 경로(Reference path, LRef) 및 물체 경로 (Object path, LObj)를 통해 SBD에 입사된 THz파들에 의한 전압 크기를 의미 - 각 경로의 길이를 고려, 다음 수식으로 나타낼 수 있음 - 여기서 실제 이미지 신호는 A에 포함된 것으로 간주할 수 있으며, 참조 경로의 신호 세기는 B로 나타낼 수 있음. - 신호의 세기는 위 수식으로 표현할 수 있음. 여기서 cos(2ωt) 성분은 SBD의 검출 밴 드폭을 벗어나기 때문에 수식에 포함하지 않음. - 위 식에서 붉은 사각형 부분은 이미지 신호에 해당되는 A에 곱해진 항으로 볼 수 있 는데, 일반적으로 B>>A이므로, 이를 신호 A에 대한 이득으로 간주 - 한편, 파란색 사각형으로 나타낸 부분은 경로간 위상 차이에 해당됨 - 따라서, M3를 삽입한 후 간섭 이미지를 얻게 되면 위상 차이의 변동에 의해 심한 간 섭 줄무늬가 나타날 것임을 알 수 있으며, 간섭에 의한 신호 세기의 증가 효과를 유지 하면서 줄무늬를 억제하려면, 광대역 THz 간섭 이미지가 필요함을 알 수 있음 - 이를 확인하기 위해, 간섭계를 구성, 0.5 THz~0.7 THz의 광대역 간섭 이미징을 동일
포인터 샘플에 대해 수행, 결과를 아래 그림에 나타냄 (그림 2.44) 광대역 간섭 이미지 결과 (Case Close) - 그 결과, 위 그림에 보인 바와 같이, 간섭에 의한 위상 반전이 없는 깨끗한 투시 이미 지를 얻을 수 있었음. 물체 내부의 금속 패턴은 기대한 바와 같이 밝은 색으로 깨끗하 게 이미징 되었으며, 포인터 하부의 USB 커넥터, 내부 배터리, 전자 부품 등이 명확히 드러남 - 실험에 사용한 DML/DWL 시스템은 고속 주파수 스캔이 불가능하고, 각 주파수를 일 일이 명령어를 통해 설정하여 주파수 스캔을 수행하였음. 따라서, 이미징 시간이 매우 오래 소요됨 - 실제 사용 가능한 수준의 측정 시간을 달성하기 위해서는 여러 주파수의 THz파를 동 시에 발생시키는 별도의 이미징용 광원 개발을 통해 해결 가능할 것으로 생각되어 다 음과 같은 광대역 비팅 광원을 제안, 특허 출원을 진행 중 (원 관리번호: PR20180795) - 해당 특허의 핵심 개념을 다음 그림에 나타냄 (그림 2.45) 영상용 Multi-spectral THz source 개념도 나. 2차원 고속 이미징 기술 ○ 폴리곤 미러를 사용한 2차원 고속 이미징 시스템 - 그림 2.46은 현재 개발 중인 고속 2차원 반사 이미징 시스템으로, (a) 발생부, (b) 2차원 폴리곤 스캐너, (c) f-θ 렌즈, (d) 클락 추출 반사판, (e) 수신부로 구성됨
(그림 2.46) 설계 및 제작된 시스템 구성도 ○ 2차원 고속 폴리곤 스캐너 개발 - 그림 2.47는 단일 폴리곤 구조를 2개의 모터로 회전시켜 대상물을 2차원으로 고속 스캔 할 수 있게 고안된 구조로, 기존에 제안된 구조[2.18] 중 가장 간단하고 소형이며, 저가 의 시스템 구성이 가능함 . 폴리곤 미러 : 저밀도 플라스틱 재질 사용, 표면 크롬 유광 도금 . 고속 BLDC 모터 : 1차원 고속 라인 스캔, 3000 rpm (4면 폴리곤 - 초당 200 줄 스캔) . 저속 스텝핑 모터 : 2차원 면 스캔, 2.5~3.5 rpm 1차원 선 스캐닝 (고속스캔) 2차원 면 스캐닝 (저속 스캔) ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 입사 반사 1차원 고속 선 스캐닝 폴리곤 미러 (반사면) 고속 회전 모터 입사 2차원 면 스캐닝 반사 폴리곤 미러 고속 회전 모터 저속 스텝핑 모터 (a) (b) (c) 2D 이미지 입사 고속 BLDC 모터 • X축 스캔(좌우) • 360˚고속 회전 폴리곤 미러 • ABS 재질 • 표면 크롬 도금 저속 스테핑 모터 • Y축 스캔(상하) • 상하 >±15˚반복 운동 (그림 2.47) 2차원 폴리곤 스캐닝 구조(좌-설계도 / 우-제작된 구조) (a) 좌우 고속 스캔, (b) 상하 저속 스캔, (c) 2차원 면 스캔
○ 클락 신호 추출용 반사판 설계 및 제작 - 기존에 고속의 BLDC 모터를 사용하여 폴리곤을 회전시키면 모터의 RPM이 일정하게 유 지되지 못하는 문제로 인해, 실제 이미징 시스템에 적용하기가 어려웠음 - 이러한 문제를 해결하기 위하여 폴리곤 미러가 회전 할 때, RPM 속도 확인이 가능한 클락 신호 추출을 그림 2.48(a)와 같이 이미지 측정에 사용되지 않는 각도 +25°를 선택 하여 입사 경로와 동일한 경로로 반사되어 검출기로 측정이 되도록 설계 및 제작하였음 - 그림 2.48(b)는 실제 추출된 클락 신호를 나타내며, 실제 고속 모터의 RPM이 흔들리는 것을 확인 할 수 있음 클락 추출 반사판 0° -10° -25° +10° +25° 이미지 측정 내부 클락 추출 외부 클락 추출 폴리곤 미러 입사 클락 추출 반사판 추출된 클락 신호 (a) (b) (그림 2.48) (a) 클락 신호 추출을 위한 원리 및 구성도, (b) 추출된 클락 신호 ○ 2차원 테라헤르츠 이미징 - 그림 2.49(a)는 2차원 테라헤르츠 반사 이미징 측정 셋업과 스티로폼으로 가려진 금속 격자 패턴(단위 길이 : 20mm) 샘플을 나타내며, 모터 회전에 의한 측정 시간은 2초 이 내임 - 그림 2.49(b-2)는 추출된 이미지이며 클락 신호를 이용하여 이미징 보정을 통해 그림 (b-4)의 2차원 이미지, >6x6cm2 영역을 측정하였음 - 저가의 소형 모터를 이용하여 고속 테라헤르츠 2차원 이미징 시스템을 성공적으로 구현 하여, 현재 현대 자동차 생산 라인에서 비파괴 검사를 위해 테스트 진행 중임 - 현재, 4개국(한국,미국,일본,독일) 가출원 완료 (한국 출원번호: 2018-0139740) (그림 2.49) (a) 2차원 테라헤르츠 반사 이미징 측정 셋업, (b) 측정된 이미지 (LabVIEW 사용자 프로그램 캡쳐 사진) 추출된 클락 신호 보정된 클락 신호 (a) (b)
다. 테라헤르츠파를 활용한 연료전지 슬러리 두께 모니터링 시스템 개발 ○ 연료전지 구조 및 원리 - 연료전지는 두 개의 전극(수소극과 공기극)과 그 사이에 수소이온을 전달하는 전해질 막으로 구성되며, 수소와 산소가 결합할 때 발생하는 화학에너지를 전기에너지로 바꾸 는 핵심 기술임 - 수소 측 전극에서 수소분자가 수소이온과 전자로 분리되어, 수소이온은 전해질 속으로 이동해 산소 측 전극에서 산소와 결합되면서 물이 발생하며, 전자는 공기극으로 이동 하여 전기를 발생시키는 원리임 - 연료전지의 성능은 수소분자를 이온 상태로 분해하고, 분해된 수소이온을 산소와 결합 하는 과정을 얼마나 효율적으로 진행하느냐에 달려 있음 - 현재까지는 이 반응을 촉진하는 촉매제로 백금(1대당 약 70g 필요)이 가장 합리적인 물질로 꼽히며, 업체들이 고가의 백금을 대체할 효율적이고 저렴한 촉매 물질을 개발 하려고 치열한 경쟁을 벌이고 있음 도포 필름 건조로 도포 전극롤 A 슬롯다이코터 C B 초음파 THz파 초음파 슬롯다이 코터 수소극 (a) (b) (그림 2.50) (a) 연료전지 구조 및 원리 (b) 도포 시스템 ○ 기존 연료전지 슬러리 두께 모니터링 방법 및 문제점 - 그림 2.50(b)는 롤투롤(Roll-To-Roll) 연료전지 슬러리 도포 시스템으로 슬롯다이 코터를 이용하여 연료전지 슬러리를 필름 위에 도포한 후, 건조로를 통과시켜 제작함 - 이 때, 도포된 직후의 연료전지는 액상 상태로 초음파 및 다른 비접촉 방식으로는 측정 이 어려움 - 현재, 두께 모니터링을 위해 적용 중인 방식으로 도포 전과 건조로 통과 후의 필름 및 연료전지 슬러리 전체 두께의 차이로 측정하는 초음파 방식과 도포된 필름에서 포인트 샘플링 방식의 X-선 형광 분석기 (XRF, X-Ray Fluorescence Spectroscopy)를 이용한 방 법이 있음
- 초음파의 경우, 도포 필름이 건조로를 통과할 때 두께 변화가 발생하여 측정하고자 하 는 연료전지 슬러리 변화량만의 모니터링이 어려움.
- XRF는 두께 측정이 정확하나, 생산 완료된 연료전지의 샘플링 측정방식으로 생산 과정 중에 실시간 모니터링이 어려움
