내 전공 설명하기(1): THz 대역이 뭐지?

안녕하세요 gotama 입니다.

최근에 문과출신의 중학교 시절 친구들을 만나서 얘기를 하는데 제 전공에 대하여 설명하는게 쉽지 않더라구요.

참고로 저는 공학계열 대학원생이고 고등학교 이후의 모든 친구들이 모두 공학, 자연계열 친구들 뿐이라 고등학교 친구들에게 설명하는것처럼

"전자공학을 전공하고있고 , 특히 CMOS공정과 테라헤르츠 대역 이미징 센서를 연구중이야"

라는 말로 충분치 않아 CMOS 가 뭔지, Terahertz 가 뭔지, 전자기파가 무엇인지 등등 질문이 꼬리에 꼬리를 물어 곤란해진 경험을 하였습니다...

그래서 이번기회에 제 전공에 대해 사전지식이 없는 모든 청자에게도 명료하게 설명할수 있도록 정리하여 글로 남겨보려 합니다.

제가 대학원에서 연구하는 분야는 CMOS공정을 이용한 Terahertz 대역 센서 개발입니다.

Terahertz 대역은(1초에 10^12 번 진동하기 때문에 Tera) 사람의 눈으로 볼 수 없는 가시광선 외의 대역으로 대중에게 익숙한 유의어로는 원적외선;Far-infrared 이라고도 부릅니다. (정확히는 전자공학의 관점에서 mm-wave, 광학의 관점에서 원적외선으로 부릅니다.)

하지만 이 원적외선 대역은 의학진단으로 쓰이는 X-RAY나 모든 무선통신에 사용하는 라디오파(Radio Frequency, Microwave) 등 처럼 아직까지 상용화가 어려워 개척되지 않은 영역입니다. 그 이유는 원적외선이 빛의 모든 파장 중 공학적으로 가장 까다로운 대역에 속하기 때문인데요,

공학적으로 빛을 감지하는 기술은 그 파장에 따라 다른 기술과 전략이 필요합니다.
큰 분류로 간단하게 말하자면

(각 분류의 두 인물은 각각 무선전신을 발명한 마르코니와 광전효과를 발견한 아인슈타인 입니다. 모두 본 업적으로 노벨상을 받았습니다.)

1. 빛의 에너지가 세서 광전효과(Photoelectric effect)를 사용 : X-RAY, 가시광선, 근적외선
2. 빛의 파장이 길어서 안테나를 사용 : 라디오, TV, 마이크로웨이브

빛의 에너지는 빛의 진동수와 관련이 있고 이 진동수는 파장과 반비례관계에 있습니다.
(다시 말하면 빛은 에너지와 파장이 동시에 클 수 없습니다.)

전파공학자들은 안테나를 이용해 더 높은 주파수의 전자기파를 검출해내려 노력하고 (5G통신은 30GHz 를 목표로) 광공학자들은 광다이오드를 이용해 더 낮은 에너지를 검출하기 위해 노력하고 있지만 (적외선 카메라)

원적외선의 경우 위와같은 공학적 접근이 나뉘는 정중앙에 위치하여 에너지가 크지도 않고 파장이 길지도 않아... 어떤 방법으로도 효과적으로 빛을 검출해내기 힘들었습니다. (그래서 THz gap 이라고 불렸습니다.)

그럼 지금까지 원적외선 없이 잘 살아왔는데 뭐하러 원적외선을 이용하냐 하는 질문을 할 수 있겠네요... 네 그래서 원래 원적외선은 우주복사를 관측하기위한 천체전파망원경에나 쓰이다가 최근에는 X-ray를 대체할 비파괴검사 및 투시의 목적으로 개발중입니다.

X-ray는 의학진단이나 공항검색대등에서 유용하게 사용되어왔지만 빛의 에너지가 너무 크기때문에 원자를 이온화시키고 세포의 DNA를 파괴하는등의 문제가 있기때문에 가급적 짧은 시간을 사용하도록 권장되어 특히 임산부에게는 아얘 사용을 하지 않습니다.

하지만 테라헤르츠 대역은 전자기파의 에너지가 크지 않기때문에 인체에 무해하다고 알려져있습니다.
(심지어 원적외선이 나오는 게르마늄팔찌가 몸에 좋다는 유사과학...읍읍)

입국심사가 까다로운 미국은 공항에서 입국시 전신스캐닝을 하는데 (일명 AIT screening) mm-wave, 즉 terahertz 대역 이미징을 하는것입니다. (장비가 너무 비싸 몇대 없어 대기줄이 엄청 긴건 함정... 옷 내부를 투시하여 총기류같은 물건을 탐지하는 과정인데 사생활침해가 심하다고 한때 논란이 되었었죠)

여기까지 테라헤르츠 대역이 왜 필요한지, 왜 사용하기 어려운지를 정리해보았는데요 내용이 지루할까 여기까지 정리하고 제 연구분야인 테라헤르츠 대역을 어떻게 사용할지에 대한 내용은 2부로 이어 작성해보려 합니다.

여기까지 긴 글 읽어주셔서 감사드립니다.