가속기 발진기

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고출력 연속파 테라헤르츠 소자 및 응용기술

KOSEN 한민족과학기술자네트워크

테라헤르츠(terahertz wave, 0.1-10 THz)는 기존의 밀리미터파(millimeter wave), 서브밀리미터파(sub-millimeter wave), 원적외선(far infrared) 대역의 전자기파를 아우르는 용어로서, 광적인 성질과 전파의 특성을 동시에 갖는 주파수 자원을 의미한다. 우주 배경복사(cosmic background radiation)가속기 발진기 와 단백질의 접힘(folding) 등과 같은 기초연구 분야에서뿐만 아니라, 보안 검색 및 의료 응용과 같은 실용 기술분야에 이르기 까지 다양한 응용 가능성이 예상되어 왔지만, 효율적인 신호원과 민감한 검출기를 구현하기 위한 기술이 미흡하여, 테라헤르츠 공백(gap)이라고 불리어 왔다. 단절된 공백을 매워 나가기 위하여, 지난 수 십 년간 여러 가지 배경의 연구자들이 활발히 참여하는 다학제적(interdisciplinary)인 연구가 진행되었고, 주목할만한 기술적 진보를 일구어냄으로써 테라헤르츠 과학기술의 실용화 가능성을 입증하는 단계로 가속기 발진기 접어들게 되었다. 이러한 기술적 진보에 힘입어 전세계적으로 관심과 투자가 집중되고 있으며, 특히 미국과 일본은 테라헤르츠 과학기술이 향후 세상을 변화시켜 나갈 주요 기술의 하나라고 인식하여 국가적인 관심을 기울이고 있다.

본 원고에서는 대표적인 테라헤르츠 기술과 응용 분야를 발생 원리별로 범주(category)화 하여 간략히 소개함으로써 테라헤르츠 기술의 현재 수준 및 동향을 개관하고자 한다. 아울러, KOSEN 분석자료를 포함한 기존의 리뷰(review)논문 등에서 상대적으로 소홀하게 다루어 져왔던 고출력 연속파(continuous-wave) 테라헤르츠 소자 기술을 중심으로, 실시간 능동 영상 시스템 및 DNP(dynamic nuclear polarization) 등과 같은 새로운 테라헤르츠 융합기술 영역에 대하여 소개하고자 한다.

테라헤르츠 광원을 구현하기 위한 다양한 접근 방식이 있지만, 스펙트럼상의 위치에서 짐작할 수 있듯이, 포토닉스(photonics) 기반과 일렉트로닉스(electronics) 기반 기술로 크게 나누어 질 수 있다.

대표적인 광학기반 기술로, OPTL (optically pumped terahertz laser)을 꼽을 수 있다. 레이저로 여기 된 기체 분자의 진동 혹은 회전 모드를 이용하는 테라헤르츠 레이저로서 수 백 mW의 출력을 얻는 것이 가능하지만, 사용자가 원하는 주파수를 선택하기가 어렵고, 신호의 지속시간 및 재연 주기가 짧다는 단점이 있다. 이와 달리, 인위적으로 에너지 밴드 갭을 형성하여 테라헤르츠 대역의 연속 발진을 얻는 QCL (quantum cascade laser) 기술이 크게 주목 받고 있다. 적외선 대역에서 안정적인 동작이 입증된 기술로서, 1 THz 대역까지 주파수를 낮추고 출력을 높이기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 적외선 화상 검출기(micro-bolometer array camera)를 이용하여 원거리에서 은닉물체를 실시간으로 영상화 하는 시연이 이루어 졌다. 소형 경량의 소자로서 주목 받고 있지만, 현재로는 의류와 같은 단열재에 대한 투과 특성이 우수한1 THz 이하에서 소자를 성공적으로 동작시키는 일은 상당히 도전적인 과제로 남아 있다.

이상과 같이 에너지 밴드 갭 사이에서 전자의 천이(transition)를 이용하는 포토닉스 방법 이외에도, 매질 내에서 광의 비선형성을 이용하는 다양한 소자가 연구되고 있다. 테라헤르츠 매개 발진기(parametric oscillator)처럼 결정 내에서 광의 비선형성을 이용하거나, 광혼합(photomixing) 방식처럼 파장이 다른 2개 광의 맥놀이(beat wave)를 이용하는 소자 등은 광대역에서 주파수 조정이 가능하다는 장점 때문에 분광응용 측면에서 관심을 끌고 있다. 특히, 펨토초(femtosecond) 레이저 펄스를 활용하는 광-정류(optical rectification)나 광전도-스위칭(photoconductive switching)방식은 시간-영역(time-domain)의 짧은 펄스 신호를 퓨리에 변환하여 등가의 광대역 테라헤르츠 스펙트럼으로 구현하는 방식으로서 테라헤르츠 대역에서 다양한 물질들의 특성 분석 및 화합물 분석을 위한 분광기법으로 각광받고 있다. 이상의 기법은 모두 레이저 기술의 발달에 힘입어 비약적인 진보를 이루었으나, 원리상의 제약으로 mW이상의 출력을 구현하는데 어려움이 있다.

상당수의 일렉트로닉스 기반 기술은 반도체 내에서 도전입자의 전도(conductional transport)를 이용한다. 각종 다이오드(diode) 발진기 및 주파수 체배기(multiplier)는 1 THz 이하나 근방에서 mW 급의 평균 출력을 얻을 수 있게 해준다. 초기에 우주선 단열재의 내부결함을 비파괴적으로 검사하는 시연에 사용되어 테라헤르츠 기술의 실용화 가능성을 입증하는데 활용된 이후, 다양한 영상연구에 활용되고 있다. 그러나, 2차원 어레이 검출기를 활용하여 실시간 능동 영상을 구현할 수 있을 정도로 출력이 높지는 않기 때문에, 2차원 영상을 구현하기 위해 에너지를 한 곳에 집중하여 피사체에 주사(scan)해야 하므로 시간이 오래 걸린다는 단점이 있다.



고출력 연속파 테라헤르츠 소자 및 응용기술

일렉트로닉스 기반 기술 중 전자의 대류 이송(convectional transport)을 이용하는 진공전자소자(vacuum electronic device)는 하전입자의 운동에 제약이 없으므로 원칙적으로 고출력 특성을 가지며, 아래와 같이 테라헤르츠 전자기파 발생 기작(mechanism)에 의해 크게 2가지 형태로 구분된다. 우선 유전체나 주기적인 구조를 갖는 저속파구조(slow wave structure)를 진행하는 전자파의 위상속도가 전자빔의 속도보다 약간 늦어질 때 발생하는 체렌코프 복사(Cherenkov radiation)를 활용하는 방식이 있는데, 상대적으로 높은 출력과 주파수 조정이 가능한 후방파발진기(backward wave oscillator)가 대표적인 예이다. 최근에는 MEMS기법을 활용하여 높은 종횡비(aspect ratio)를 갖는 미세 구조 회로의 정밀가공을 통해 소형 고출력 테라헤르츠 소자를 구현하기 위한 연구가 각국에서 활발하게 진행되고 있다.

주어진 공진회로 내에서 전자빔이 주기적인 운동을 하도록 하여 제동복사(bremsstrahlung radiation) 형태로 전자기파를 발생시키는 방식이 있는데, 자유전자레이저 (free electron laser)와 전자회전공명메이저(electron cyclotron resonance maser)라고 불리우는 자이로트론(gyrotron) 등이 해당된다. 자유전자레이저는 그 가속기 발진기 원리상 광대역의 고출력 소자로서 가장 우수한 특성을 보이지만, 상대론적인 전자빔을 발생시키기 위한 가속기에 의해 구조적/기능적 측면에서 활용성이 제한된다.

자이로트론은, 공진기의 고차 모드를 활용하여 주파수 증가에 따른 소자의 크기 축소 한계를 효율적으로 극복할 수 있기 때문에, 핵융합 발전을 위한 플라즈마 가열에 이용될 정도로 기술적 측면에서 가장 안정적이며, 1 THz 이하의 고출력 연속파 테라헤르츠를 요구하는 다양한 분야에서 활용되고 있다. 아래 그림은 0.46 THz 자이로트론과 열화상소자(pyroelectric array camera)를 활용하여 우편봉투 속에 은닉된 금속 글자에 대한 실시간 투시 영상을 구현한 것으로서, 보안 검색 및 냉동/건조 식품내의 이물질 검사 등에 활용하기 위한 연구가 진행 중이다.

최근 세계적으로 관심을 끌고 있는 테레헤르츠 융합기술 중에서 대표적인 사례로 동적과분극(dynamic nuclear polarization, DNP)을 활용한 핵자기공명(NMR) 신호 향상 연구를 꼽을 수 있다. 동적과분극 기술은, 전자 스핀 공명 (electron spin resonance, 28 GHz/T)에 해당하는 연속파 고출력 테라헤르츠 신호원을 이용하여 여기된 전자의 스핀 분극을 원자핵의 분극상태로 전이시킴으로서, 해당 핵종의 신호대 잡음비를 획기적으로 증폭시켜, 기존의 핵자기공명 영상/분광에서 기술적 한계로 간주되었던 계측의 정밀도와 속도를 혁신적으로 향상시킬 수 있는 첨단 기술이다. DNP 핵자기공명분광(DNP/NMRS) 기술은, 거대 분자(생체구성 단백질, 약물, 전도성고분자 등)의 동적구조와 기능을 연구하기 위한 가속기 발진기 가속기 발진기 훌륭한 수단이 되기 때문에, 미국, 유럽, 일본 등에서는 컨소시엄 구성을 통하여 적극적인 협동연구를 추진해 나가고 있다. 또한, 13C, 15N, 31P 등의 핵종을 포함한 생체 대사물질을 고출력 연속파 테라헤르츠를 이용하여 과분극 시킨 뒤, 이를 MRI 영상화제(agent)로 활용하면, 기존의 MRI 장치가 지닌 한계(미약한 신호)를 극복하고 다양한 핵종에 대한 기능성 분광영상을 구현할 수 있음이 보고되었다. 이는 고출력 연속파 테라헤르츠를 이용하여 생체대사 영상과 같은 기능성 MRI를 구현할 수 있음을 의미하는 것으로서, 각종 질병 및 생체대사과정에 대한 인간의 이해를 획기적으로 확장하고, 향후 의료산업 발전에 결정적인 역할을 하게 될 것으로 기대되고 있다.

대표적인 테라헤르츠 기술과 응용 분야를 발생 원리별로 범주(category)화 하여 개관하고, 각 기술의 특성 및 수준 별로 적합한 응용 영역을 간략히 살펴 보았다. 아울러, 기존의 리뷰(review)논문 등에서 잘 다루어지지 않았던 고출력 연속파(continuous-wave) 테라헤르츠 소자의 발생원리와, 실시간 능동 영상 시스템 및 동적과분극 가속기 발진기 등과 같은 새로운 융합기술 영역에 대하여 소개하였다. 특히, 고출력 연속파 테라헤르츠를 이용한 DNP 과분극 핵자기공명 기술은, 바이오, 반도체, 소재산업 등의 기초과학 연구를 위한 혁신적인 수단을 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 집중적인 연구개발을 통하여 향후 의료산업(암, 뇌질환 등의 비침습 조기진단 분야)의 견인차 역할을 하게 될 것으로 기대된다.

[1] 이병철 역, “테라헤르츠파(THz) 과학의 새로운 기회,” KOSEN Expert Review (2004)

[2] 오경환 역, “테라헤르츠파(THz Wave) 광원들과 영상(Imaging) 응용,” KOSEN Expert Review (2006)

[3] 한성태 역, “테라헤르츠 과학기술 동향,” KOSEN Expert Review (2008)

[4] M.Y. Glyavin et al., “Generation of 1.5-kW, 1-THz Coherent Radiation from a Gyrotron with a Pulsed magnetic Field,” Phys. Rev. Lett. 100, 015101 (2008)

[5] V.L. Bratman et al., “Large-Orbit Gyrotron Operation in the Terahertz Frequency Range,” Phys. Rev. Lett. 102, 245101 (2009)

[6] T. Notake et al., “Development of a Novel High Power Sub-THz Second Harmonic Gyrotron,” Phys. Rev. Lett. 103, 225002 (2009)

[7] D.A. Hall et al., “Polarization-Enhanced NMR Spectroscopy of Biomolecules in Frozen Solution,” Science 276, 930 (1997)

[8] F.A. Gallagher et al., “Magnetic resonance imaging of pH in vivo using hyperpolarized 13C-labelled bicarbonate,” Nature 453, 940 (2008)

가속기 발진기

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    • 승인 2008.06.23 05:40
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      국내에서 전기 출력이 가정용 전자레인지 30~40대 분량에 맞먹는 마그네트론 발진기가 개발됐다.

      한국전기연구원은 (주)스펙, 서울대학교 등과 공동으로 연속출력 30kW, 효율 약 80%의 고출력·고효율 마그네트론 발진기 기술을 개발하는데 성공했다고 밝혔다. 이 발진기는 가정용 가속기 발진기 전자레인지 30~40대를 동시에 돌릴 때 나오는 분량의 마이크로파를 발생한다.

      마그네트론 발진기는 전자레인지, 조명기기를 비롯해 대형식품의 조리와 해동, 자외선광원, 입자가속기, 레이더 등에 널리 사용되는 고출력·고효율의 마이크로파 발생 장치다.

      현재 가전제품에 사용되는 1kW급 마그네트론 발진기는 국내 가전회사가 세계적으로 높은 시장점유율을 보이고 있으나 5kW급 이상의 산업용은 국내 기술 개발이 전무해 전량 고가에 수입하고 있다.

      한국전기연구원 측은 “이번 30kW급 마그네트론 발진기 개발은 전기융합기술 분야에서 고출력 마이크로파 기술을 자체적으로 확보했다는 점에서 의의가 크다”며 “연간 80억원의 수입대체 효과가 기대된다”고 말했다.

      ▶ 고출력ㆍ고효율 마그네트론 발진기를 개발한 정순신 박사(왼쪽)와 김대호 박사

      저주파발진기(Audio Generator) DR-339

      저주파발진기(Audio Generator) DR-339

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      가속기 발진기

      이는 클럭 발진기(oscillator)의 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 원천 기술로 성과를 인정받아 국제학술지 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’ 4일자 온라인 판에 게재됐다.

      클럭 발진기는 일정한 시간 간격의 주기적 신호를 발생시켜 전자시스템이 신호에 맞춰 정확하게 동작하도록 만드는 장치이다. 음악 연주에서 메트로놈과 같은 역할을 한다.

      이 클럭 발진기는 오늘날 각종 정보통신 시스템 뿐 아니라 입자가속기나 천체관측장치 같은 거대 과학시설, 초정밀 계측 장비, 레이더, GPS 및 위성항법 시스템 등 전 분야에 걸쳐 핵심적 역할을 하고 있다.

      따라서 클럭 발진기에서 발생하는 주기적 신호의 시간 오차를 줄인다면 각종 시스템들의 획기적인 성능 향상과 이전에는 불가능했던 기술 개발도 가능해진다.

      기존의 고성능 발진기들은 특수 제작된 공진 회로를 이용한 라디오파 혹은 마이크로파 발진기를 사용하거나 광공진기의 주파수 나눔을 이용한 방식의 가속기 발진기 기술을 사용했으나, 이 방식은 크기가 클 뿐 아니라 기계적 안정도가 떨어지고 수억 원 이상의 고가였기 때문에 실험실 밖에서의 응용 등에 한계가 있었다.

      연구팀은 문제 해결을 위해 신뢰성이 높고 가격경쟁력이 확보된 광통신용 광섬유 부품을 활용한 새로운 방식의 발진기를 개발했다.

      기술의 핵심은 초고속 광섬유 레이저에서 발생하는 넓은 스펙트럼 내의 두 광주파수(optical frequency) 차이를 이용한 것이다. 기존 전자 발진기는 기가헤르츠(GHz, 1초에 109회 진동) 영역에서 동작하지만, 이 기술은 테라헤르츠(가속기 발진기 THz, 1초에 1012회 진동) 주파수를 이용하기 때문에 약 1000배 민감한 시간 차 측정이 가능하다.

      또한 광섬유 케이블에서 빛이 전파되는 시간이 매우 일정하게 유지되기 때문에 테라헤르츠 주파수를 이용해 높은 분해능으로 측정된 시간차를 광섬유 케이블 내에서의 빛의 전파 시간에 정확하게 맞췄다.

      그 결과 국제전기통신연합(ITU)에서 정의한 클럭 신호원의 성능을 나타내는 0.1초 동안의 시간오차인 타이밍 지터(timing jitter)가 3펨토초(333조분의 1초)로 측정됐으며, 이는 환산하면 100만년 동안 1초의 오차를 갖는 성능에 해당한다.

      이를 통해 별도의 특수 제작된 고가 소자 없이도 세계적 수준의 발진기 성능을 얻을 수 있고, 상용화 시 제작비용을 기존 최고 성능 발진기의 10분의 1 이하 수준으로 낮출 것으로 기대된다.

      연구팀은 이 기술의 성능과 안정성이 아날로그-디지털 변환기나 고성능 신호 분석기와 같은 ICT 시스템, 레이더, 원격 탐사, 위성항법 등 국방, 우주, 환경 기술 분야에서도 폭넓게 활용될 수 있을 것이라고 밝혔다.

      김 교수는 “고성능 발진기 기술은 군용 레이더, 보안 분야와의 연관성 때문에 주요 장비들의 수출이 금지된 경우가 많아 순수 국내 기술로 자체 개발한 것은 그 의의가 크다.”며 “향후 유리기판 위에 시스템을 구현해 칩 스케일의 고성능 클럭으로 발전시킬 계획이다”고 말했다.

      KAIST 기계공학과 정광연 박사과정(1저자)의 참여로 이루어진 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐다.

      가속기 발진기

      국내 연구진이 이제까지 전량 수입에 의존하던 고출력·고효율 마그네트론 발진기를 개발하는데 성공했다.

      한국전기연구원(원장 박동욱 www.keri.re.kr) 테라헤르츠파전문연구랩 정순신ㆍ김대호 박사팀은 최근 에너지관리공단과 전기연구원 자체 지원을 통해 (주)스펙, 서울대학교(위탁) 등과 공동으로 연속출력 30kW, 효율 약 80%의 고출력ㆍ고효율 마그네트론 발진기 기술의 국산화를 이뤘다.

      고출력ㆍ고효율의 마이크로파 발생 장치인 마그네트론 발진기는 전자레인지, 조명기기를 비롯해 대형식품 조리·해동, 자외선광원, 입자가속기, 레이더 등에 널리 사용되고 가속기 발진기 있다. 나노물질 합성, 다이아몬드 코팅, 폐타이어 자원화, 바이오디젤 합성, 신약 합성, 무선전력전송 등 다양한 분야에도 적용할 수 있다. 이번에 개발된 발진기의 연속 출력 30kW는 가정용 전자레인지 30~40대가 동시에 동작할 때 발생하는 마이크로파(microwave)의 출력에 해당한다.

      현재 가전제품에 사용되는 1kW급 마그네트론 발진기는 국내 가전회사가 세계적으로 높은 시장점유율을 보이고 있다. 그러나 5kW급 이상의 산업용 고출력 마그네트론 발진기나 구동전원의 경우 몇몇 선진국에서만 확보하고 있는 기술이다. 에너지·환경, 화학, 제약, 재료, 식품, 고무 등 다양한 산업에서 활용되고 있음에도 불구하고 국내 기술 개발이 전무해 선진국에서 전량 고가에 수입하고 있는 실정이다.

      이번에 전기연구원이 30kW급 마그네트론 발진기 기술을 개발함으로써 전기융합기술 분야에서 △고출력 마이크로파 기술 △전자빔 기술 △고전압 기술 △고진공 기술 △정밀 접합 기술 등이 융합한 고출력 마이크로파 기술을 자체적으로 확보했다는 점에서 기술적 의의가 크다.

      특히 이번에 개발된 마그네트론 발진기는 3차원 컴퓨터 프로토타이핑 기술을 이용해 개발 비용과 시간을 줄이고 설계 정밀도를 높였다. 또한 마그네트론 발진기의 수명을 결정하는 음극을 쉽고 빠르며 값싸게 교체할 수 있는 기술과 마그네트론 발진기의 전극을 통해 방사되는 고조파(harmonic) 노이즈를 1/10 이하로 줄일 수 있는 기술을 개발해 적용했다. 이와 관련 2건의 특허가 등록됐고 2건의 특허가 출원됐다.

      지난 3월 42kW급 인버터방식 마그네트론 구동전원 개발에 성공한 전기연구원은 이번에 30kW급 마그네트론 발진기 기술까지 확보하게 됨으로써 고출력 마이크로파 기술의 전문연구기관으로 자리매김할 것으로 기대된다. 아울러 전량 수입에 의존해 오던 고출력 산업용 마그네트론을 국산화함으로써 연간 80억 원의 수입대체 효과가 기대된다.

      전기연구원의 한 관계자는 “이번에 확보한 고출력 마그네트론 발진기의 핵심기술을 이용해 미국과 일본 등에서 미래 10대 기술로 선정한 바 있는 테라헤르츠(terahertz) 기술로 발전시켜 관련 업계 최대 이슈인 고출력 테라헤르츠 소스 및 시스템의 핵심기술을 개발해 나갈 계획이다”고 밝혔다.


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