지진파·화산 활동 측정 등 자연현상과 반도체 공정 등 산업분야 활용

김정원 KAIST 교수팀이 펄스 레이저와 전광 샘플링 기법을 이용해 거리 측정에 활용할 수 있는 초고속, 초정밀의 펄스비행시간 센서 기술을 개발했다.<사진=KAIST 제공>
김정원 KAIST 교수팀이 펄스 레이저와 전광 샘플링 기법을 이용해 거리 측정에 활용할 수 있는 초고속, 초정밀의 펄스비행시간 센서 기술을 개발했다.<사진=KAIST 제공>
수소 원자 2개 크기보다 작은 위치 차이를 정확하게 측정할 수 있는 기술이 개발됐다. 자율주행, 보안, 반도체 공정 등 산업분야뿐 아니라 지진감지와 중력파 검출 등 자연현상 탐지까지 다양한 분야의 핵심기술로 활용될 것으로 기대된다. 

KAIST(총장 신성철)는 김정원 기계공학과 교수팀이 펄스 레이저와 전광 샘플링 기법을 이용해 거리 측정에 활용할 수 있는 초고속, 초정밀의 펄스비행시간(time-of-flight, TOF) 센서 기술을 개발했다고 12일 밝혔다.

고성능 거리 측정기술의 성능이 개선되면 이전에는 불가능했던 새로운 물리 현상들의 측정도 가능하다. 하지만 기존 기술 중 하나인 펄스비행시간 기술은 미터 이상의 긴 측정 거리를 갖지만 그만큼 분해능 성능이 떨어지는 문제가 있다. 간섭계 기술 역시 나노미터 수준의 좋은 분해능을 갖지만, 마이크로미터 수준의 좁은 측정 범위를 가져 두 기술 모두 측정 속도가 느리다는 공통적인 한계가 있다. 

연구팀은 한계극복을 위해 기존의 방식들과는 완전히 다른 방식의 펄스비행시간 센서를 제안했다. 펄스 레이저에서 발생한 빛 펄스와 광다이오드로 생성한 전류 펄스 사이의 시간 차이를 전광 샘플링 기법을 이용해 측정했다.

이때 빛 펄스와 전류 펄스 간의 시간 오차가 100 아토초(1경분의 1초) 정도로 매우 적어, 빠른 속도로 나노미터 이하의 거리 차이도 정밀하게 측정할 수 있는 것을 확인했다.

또 전류 펄스의 길이가 수십 피코초 이상으로 길어 밀리미터 이상의 측정 범위가 동시에 가능해, 기존의 펄스비행시간 기술이 갖는 낮은 분해능과 간섭계 기술이 가지는 좁은 측정 범위의 한계를 동시에 뛰어넘을 수 있었다. 

연구팀은 새로운 펄스비행시간 기술을 이용해 고분해능 3차원 형상 이미징 기술을 시연했고, 지진파나 화산 활동 측정과 같이 미세한 변형을 측정하는 데 활용할 수 있는 고정밀 변형률 센서도 구현했다.

이와 함께 초고속 측정에서도 높은 분해능을 갖는다는 장점을 이용해 100MHz(1초에 1억 번의 진동에 해당) 이상의 속도로 변화하는 물체의 위치도 나노미터 분해능으로 실시간 측정 가능함을 선보였다.

연구팀은 특히 서로 멀리 떨어져 있는 다수 지점의 펄스비행시간을 동시에 정밀하게 측정할 수 있는 특징을 활용하면 스마트팩토리와 같은 환경에서 하나의 레이저와 광섬유 링크들을 이용해 다지점, 다기능성 복합센서 시스템을 구현할 수 있다고 전망했다.

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.

저작권자 © 헬로디디 무단전재 및 재배포 금지