광학계의 블루오션 테라헤르츠파

테라헤르츠파(THz)는 100GHz에서 30THz 범위의 주파수를 갖는 전자기파로, 가시광선이나 적외선보다 파장이 길어 X선처럼 투과력이 강할 뿐 아니라 X선보다 에너지가 낮아 인체에 해를 입히지 않습니다.

이러한 특성으로 X-ray처럼 물체의 내부를 투과해 볼 수 있으며, 주파수 내에서 특정 영역을 흡수하기 때문에, X선으로는 탐지하지 못하는 우편물 등에 숨겨진 폭발물이나 마약을 찾아낼 수 있고, 가짜약도 판별해낼 수 있습니다.

또한, 분광정보를 통해 물질의 고유한 성질을 특별한 화학적 처리 없이 분석할 수 있어 인체에 손상이나 고통을 주지 않고도 상피암 등 피부 표면에 발생하는 질병을 효과적으로 즉시 확인할 수 있습니다.

이러한 특성을 이용해 휴대용 투시카메라나 소형 바이오 진단시스템 등 다양한 분야에 응용될 수 있기 때문에 테라헤르츠파는 광학계의 블루오션이라 불립니다.

그러나 출력이 부족해 바이오센서 등 다양한 분야의 상용화에 어려움이 있어 그동안 과학자들이 출력을 증폭시키기 위한 많은 노력들이 이어졌습니다.

■ KAIST 바이오 및 뇌 공학과 정기훈 교수팀은 광학나노안테나 기술을 접목해 테라헤르츠파의 출력을 기존보다 최대 3배 증폭시키는 데 성공했습니다.

테라헤르츠파는 펨토초(10의 -15승 초) 펄스레이저를 광전도 안테나가 형성된 반도체기판에 쪼여주면 피코초(10의 -12승 초) 펄스 광전류가 흐르면서 발생됩니다.

정 교수팀은 광전도안테나 사이에 금 나노막대로 구성된 광학나노안테나를 추가하고 구조를 최적화했습니다.

나노안테나를갖는THz 발생기 전자현미경사진: 광학나노안테나가 집적된 테라헤르츠 생성소자의 전자현미경 이미지.

NP-PCA 개념도: 광학나노안테나가 집적된 테라헤르츠 생성 소자의 개념도. 테라헤르츠 광전도 안테나 사이의 집적된 광학나노안테나에 의해, 광전류 펄스를 생성하는 펨토초 광펄스의 세기가 기판 표면에서 증가한다. 이를 통해 기존 테라헤르츠 생성소자의 테라헤르츠 출력 파워를 증가 시킬 수 있다.

그 결과 광전도기판에 나노플라즈모닉 공명현상이 발생되면서 광전류 펄스가 집적도가 높아져 출력이 최대 3배까지 증폭됐습니다.

이에 따라 물체의 내부를 더욱 선명하게 볼 수 있을 뿐만 아니라 생검을 하지 않고도 좋은 영상과 함께 성분 분석이 가능해졌습니다.

이번에 개발한 원천기술을 테라헤르츠파 소자 소형화 기술과 결합해 내시경에 응용하면 상피암을 조기에 감지할 수 있고, 향후 바이오센서 시스템을 구축해 상용화도 가능할 전망입니다.

이번 연구는 바이오및뇌공학과 박상길 박사과정, 진경환 박사과정, 예종철 교수, 이민우 박사과정, 물리학과 안재욱 교수 등이 공동으로 수행했고, 연구결과는 나노분야 세계적 학술지 'ACS Nano' 3월호(27일자)에 게재됐습니다.

한편 2011년 총 8370만 달러의 시장규모를 기록한 테라헤르츠파 디바이스 시장은 오는 2016년에는 1만 2700만 달러 규모로 성장할 것으로 예측되며, 이후 시장의 다양화로 2021년까지 연평균 35%의 성장률을, 2021년에는 5만 7000만 달러의 시장규모를 형성할 것으로 예상되고 있습니다.

나노안테나를갖는THz 발생기모식도 : 광학나노안테나에 의한 증가되는 테라헤르츠 파 출력의 가상도.

 

 용  어  설  명


테라헤르츠 파(Terahertz wave) :
100 GHz~30 THz의 주파수를 가지는 전자기파. 기가=109(십억), 테라=1012(일조)

광자공학 (Photonics) :
빛의 생성, 방출, 전송, 변조, 신호처리, 스위칭, 증폭, 탐지 및 감지를 포함하는 학문으로 입자(particle)로도 파(wave)로도 설명 할 수 없는 빛의 이중성을 광자로 표현한다.

유전물질 (dielectric material) :
전기장안에서 편극이 되지만 전기가 통하지 않는 절연체인 물질.
플라스틱, 섬유, 목재, 종이 등 생활속의 대부분의 물질이 이에 속한다.

나노플라즈모닉 현상 :
금속나노패턴은 빛이 입사될때 표면의 자유전자가 광자(photons)에 반응하여 진동하고, 입사되는 빛 중 공명파장에 해당하는 특정파장의 전기장세기를 크게 향상 시킬 수 있다.
이러한 물리적 현상은 다루는 나노광학분야를 나노플라즈모닉스라고 불리우며 다양한 응용분야가 최근 활발히 개발 중이다.

광학나노안테나 : 
광학나노안테나는 사람의 머리카락 지름보다 500분의 1보다 작은 금 나노막대안테나로 이루어져 있으며, 입사광에 의해 금 나노막대안테나 표면에서 전자들의 집단적 운동, 즉 나노플라즈모닉 현상에 의해 나노막대안테나 주변의 빛의 세기를 국소적으로 최대 100배 이상 집광이 가능하다.

 

 

□ 그림설명
그림1.나노안테나를갖는THz 발생기모식도 : 광학나노안테나에 의한 증가되는 테라헤르츠 파 출력의 가상도.

 

그림2. 나노안테나를갖는THz 발생기 전자현미경사진: 광학나노안테나가 집적된 테라헤르츠 생성소자의 전자현미경 이미지.

그림3. NP-PCA 개념도: 광학나노안테나가 집적된 테라헤르츠 생성 소자의 개념도. 테라헤르츠 광전도 안테나 사이의 집적된 광학나노안테나에 의해, 광전류 펄스를 생성하는 펨토초 광펄스의 세기가 기판 표면에서 증가한다. 이를 통해 기존 테라헤르츠 생성소자의 테라헤르츠 출력 파워를 증가 시킬 수 있다.