나노 미터까지 측정하는 레이저 개발

■ 나노 미터까지 측정하는 레이저 개발

 

국내 연구진이 나노 미터 단위까지 측정 가능한 펄스 레이저 측정 기술을 개발했다. 기존 고성능 거리 측정 기술의 한계를 뛰어넘은 기술로, 향후 반도체 공정. 지진 감지. 중력파 검출. 자율 주행 등에 사용되는 라이다(Lidar). 자연 현상 탐지 등에 활용할 수 있을 것으로 예상된다. KAIST(한국 과학 기술원)는 기계공학과 김정원 교수 연구팀이 펄스 레이저와 전광 샘플링 기법을 이용해서 거리 측정에 활용할 수 있는 초고속, 초정밀의 펄스 비행 시간 센서(TOF 센서) 기술을 개발했다고 2020년 02월 12일 밝혔다.

 

● 나노 단위까지 측정 가능한 펄스 레이저 측정 기술

연구팀은 새로운 형태의 펄스 레이저 거리 측정 기술을 개발했다. 펄스 레이저에서 발생한 빛 펄스와 광다이오드로 생성한 전류 펄스 사이의 시간 차이를 전광 샘플링 기법을 이용해 측정하는 기술이다. 이 기술을 활용하면, 빠른 속도로 나노 미터(nm) 이하의 거리 차이도 정밀하게 측정할 수 있다. 또한, 전류 펄스의 길이가 수십 피코초 이상으로 길어 밀리 미터(mm) 이상 거리도 측정할 수 있다.

 

펄스 비행 시간 센서는 거리 및 형상 측정에 사용되는 방법 중 하나dl다. 빛 펄스가 쏘아 측정하고자 하는 대상에 반사돼 돌아올 때까지의 시간을 측정한 다음, 빛의 속도를 이용해 대상과의 거리를 측정하는 방법이다. 이 기술은 기존 고성능 거리 측정 기술의 한계를 뛰어넘었다. 기존 펄스 비행 시간 측정 기술은 미터(m) 이상의 긴 측정 거리를 갖지만, 그만큼 분해 능력(측정 능력)이 떨어졌다. 반면, 간섭계 기술은 나노 미터 수준의 좋은 분해능을 갖지만, 마이크로미터 수준의 좁은 측정 범위를 측정할 수 있었다. 특히 두 기술 모두 측정 속도가 느리다는 공통적인 한계가 있었다.

 

● 초고속 측정. 초정밀. 실시간 측정 가능

연구팀의 새로운 펄스 비행 시간 센서 기술을 이용하면, 수소 원자 2개의 크기 보다도 작은 180 피코미터(55억분의 1미터) 정도의 위치 차이도 200분의 1초 만에 정확하게 측정할 수 있다고 밝혔다. 연구팀은 고분해능 3차원 형상 이미징 기술을 시연했고, 지진파나 화산 활동 측정과 같이 미세한 변형을 측정하는 데 활용할 수 있는 고정밀 변형률 센서도 구현했다. 또한, 초고속 측정에서도 높은 분해능을 갖는다는 장점을 이용해서 100MHz (1초에 1억 번의 진동에 해당) 이상의 속도로 변화하는 물체의 위치도 나노 미터 분해능으로 실시간 측정해냈다.

 

연구팀은 이 기술이 향후 반도체 공정. 지진 감지. 중력파 검출. 자율 주행 등에 사용되는 라이다(Lidar). 자연 현상 탐지까지 다양한 분야의 핵심 기술로 활용될 수 있을 것으로 예상했다. 김정원 교수는 "이 기술을 이용해 기존에는 관측하지 못했던 마이크로 소자 내에서의 비선형적인 움직임과 같은 복잡하고 빠른 동적 현상들을 실시간으로 측정하고 규명하는 것이 다음 연구 목표"라고 말했다. 나용진 박사 과정 학생이 1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 학술지인 네이처 포토닉스에 2020년 02월 10일자로 게재됐다.