테라헤르츠 이미징 기술 개발 동향 Trends in Terahertz Imaging Technology

테라헤르츠 이미징 기술은 지난 20여 년 동안 크게 발전해왔으며, 실생활에서의 응용을 위해서 계속 발전하고 있다. 본 고에서는 기존에 이루어진 2차원과 3차원 테라헤르츠 이미징 분야의 연구결과들을 본 연구실의 연구결과를 중심으로 다루었다. 또한, 최근에 상용화된 테라헤르츠 카메라에 대해서도 살펴보았다. 그리고 산업과 보안 분야를 중심으로 테라헤르츠 이미징의 응용에 대해서 살펴보았다. 실시간 테라헤르츠 2차원 카메라는 이미 상용제품이 나와 있는 상태이고, 분해능을 더 높이고 이미지 획득 및 처리 시간을 줄이는 방향으로 계속해서 발전해 나갈 것이다. 또한, 다양한 기술을 활용하여 3차원 영상 획득을 위한 연구도 계속 이루어질 것으로 전망된다. 앞으로 검출기, 이미징 처리 등 기술 개발에 따라 테라헤르츠파의 실제적인 활용이 더욱 활발해질 것으로 기대되는데, 본 고의 내용이 관련 분야의 연구자들에게 좋은 참고 자료로 활용되기를 기대한다. 디스플레이 공정상에서 발생하는 기포 및 들뜸 등의 불량은 디스플레이 제품 수명을 단축하는 주요 원인이 되고 있으나 적합한 검사 기술을 찾지 못해서 관련 산업체의 수요 기술로 인식되고 있다. 기존에 X-ray와 초음파를 통한 검사가 있지만, X-ray의 경우 방사선 등의 요인으로 작업자의 거부감이 크고 원장 크기의 검사에서 기포 검출이 불가하다. 초음파 검사는 패널을 물에 담가야 하므로 전수 조사 방법으로는 적합하지 않다. 따라서 앞의 문제점을 해결할 새로운 검사 기술이 요구되는 상황이다. 본 연구실에서는 테라헤르츠 이미징을 통해 디스플레이 패널에 생성된 결함을 관찰하였다. 빨간색 화살표 부분에 형성된 디스플레이 패널의 결함이 테라헤르츠 이미지에서 확인되었다. 다만, 분해능은 개선될 필요가 있다. 높은 민감성, 빠른 반응시간을 가진 검출기를 바탕으로 고분해능의 실시간 이미지를 얻는 것은 테라헤르츠 이미징의 실생활 응용을 위해서 매우 중요하다. 현재 미국, 유럽, 일본 등 세계 각국에서 개발된 테라헤르츠 카메라가 상용화되어 있다. 일부 상용화되어 있으나 실생활에 직접적으로 활용할 수 있는 단계로 발전하지 못한 이유는 개발된 제품이 여전히 크기, 성능, 가격 문제 등을 갖고 있기 때문이다. 이를 해소하기 위해서 다양한 방법을 통해 경쟁적으로 개발 중이다. 테라헤르츠 카메라의 검출기로는 마이크로 볼로미터 어레이가 가장 널리 사용되고 있다. 각각의 마이크로 볼로미터 픽셀은 바나듐 옥사이드(VOx), 비정질 실리콘(Amorphous silicon) 등의 볼로미터 박막층, 절연층, 금속층 등으로 구성되어 있으며 상온에서 동작한다. 펄스 기반의 테라헤르츠 시스템에서는 TOF(Time-of-Flight) 방식을 사용하여 3차원 영상을 구현한다. 이 방식은 층상구조를 지닌 3차원 물체를 투과한 펄스 혹은 물체에서 반사된 테라헤르츠 펄스가 각각의 층상구조의 경계면에서 반사됨에 따라 시간상으로 분리되는 현상을 이미징에 이용한다. 펄스의 시간적 분리량은 굴절률과 두께 등 물체의 특성과 구조에 의해 결정되므로, 테라헤르츠 펄스의 시간적 분리 형태로부터 물체의 3차원 정보를 얻을 수 있다. 통상 이 방식으로 수십 μm 이하의 축 방향 분해능을 얻을 수 있다. 그러나 이 방식은 비싸고 부피가 큰 펨토초 레이저를 사용하므로 실생활에 응용하기에는 한계가 있다. 이러한 한계점을 극복하기 위해서 여러 가지 연속파 기반의 테라헤르츠 시스템이 개발되어 왔다. 궁극적으로 테라헤르츠 카메라의 목표는 광학 카메라 수준의 성능을 갖는 것일 것이다. 그런데, 마이크로 볼로미터를 활용한 테라헤르츠 이미징 기술은 픽셀 크기의 한계로 고해상도 이미징에 어려움이 있다. 또한, 검출기의 반응속도가 느리고 주변의 열에너지에 의한 노이즈 영향이 크다는 단점이 있다. 이런 한계점을 극복하는 방법의 하나로써 최근에 상용 CCD(Charge-Coupled Device)를 사용한 테라헤르츠 이미징에 대한 연구 결과가 발표되었다. 일반적으로 실리콘의 밴드갭 에너지는 1.12eV로 수 meV의 에너지를 갖는 테라헤르츠파 검출에 사용될 수 없다. 그러나 고강도 테라헤르츠파와 실리콘 사이의 비선형 현상을 이용하여 5~13THz 영역의 테라헤르츠파를 픽셀 수 1,360×1,240개, 픽셀 크기 4.65μm인 CCD 상에 이미징하였다. CCD를 사용했을 때, 상용화된 마이크로 볼로미터 카메라와 비교하여, 테라헤르츠파의 발산, 크기, 초점 평면 등이 좀 더 명확하게 구분되는 것 이 확인되었다.