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| 펄스 레이저와 전광 샘플링 기법을 이용해 거리 측정에 활용할 수 있는 초고속·초정밀의 펄스비행시간(time-of-flight, TOF) 센서 기술을 개발한 카이스트 김정원 교수팀 연구는 ‘네이처 포토닉스(Nature Photonics)’에 2월 10일 게재됐다.(자료출처=네이처 포토닉스/제공=카이스트 김정원 교수팀) |
[아시아뉴스통신=이기종 기자] 한국과학기술원(KAIST)은 기계공학과 김정원 교수 연구팀이 펄스 레이저와 전광 샘플링 기법을 이용해 거리 측정에 활용할 수 있는 초고속·초정밀의 펄스비행시간(time-of-flight, TOF) 센서 기술을 개발했다고 17일 밝혔다.
레이저를 이용한 거리 측정 기술은 현재 보안, 자율주행 등에 사용되는 라이다(LiDAR)나 반도체 공정 등 각종 산업 분야뿐 아니라, 지진 감지, 중력파 검출 등 자연 현상 탐지까지 다양한 분야의 핵심 기술로 활용된다.
이 기술에 있어서 분해능(정밀도), 측정속도 및 측정가능범위는 이러한 거리 측정 기술의 성능을 결정하는 가장 중요한 지표들이다.
일반적으로 이 중 한 가지 성능을 향상시키는 데에는 나머지 성능들이 저하되기 때문에 세 가지 성능이 모두 우수한 기술을 구현하는 데에는 어려움이 있었다.
현재 고성능 거리 측정 기술들은 크게 두 가지 방식으로 기존의 펄스비행시간 기술은 미터 이상의 긴 측정 거리를 갖지만 그만큼 분해능 성능이 떨어지는 문제가 있다.
반면 간섭계 기술은 나노미터 수준의 좋은 분해능을 갖지만 마이크로미터 수준의 좁은 측정 범위를 갖고 두 기술 모두 측정 속도가 느리다는 공통적인 한계가 있다.
이번 연구팀은 이러한 제한점을 해결하기 위해 기존의 방식들과는 완전히 다른 방식의 펄스비행시간 센서를 제안했다.
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| 펄스 레이저와 전광 샘플링 기법을 이용해 거리 측정에 활용할 수 있는 초고속·초정밀의 펄스비행시간(time-of-flight, TOF) 센서 기술을 개발한 카이스트 김정원 교수팀 연구는 ‘네이처 포토닉스(Nature Photonics)’에 2월 10일 게재됐다.(자료출처=네이처 포토닉스/제공=카이스트 김정원 교수팀) |
연구과정을 보면 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 있다.
또 전류 펄스의 길이가 수십 피코초 이상으로 길어 밀리미터 이상의 측정 범위가 동시에 가능하다.
이로 인해 기존의 펄스비행시간 기술이 갖는 낮은 분해능과 간섭계 기술이 가지는 좁은 측정 범위의 한계를 동시에 뛰어넘을 수 있었다.
이후 새로운 펄스비행시간 기술을 이용해 고분해능 3차원 형상 이미징 기술을 시연했고 지진파나 화산 활동 측정과 같이 미세한 변형을 측정하는 데 활용할 수 있는 고정밀 변형률 센서를 구현했다.
또 초고속 측정에서도 높은 분해능을 갖는다는 장점을 이용해 100MHz(1초에 1억 번의 진동에 해당) 이상의 속도로 변화하는 물체의 위치도 나노미터 분해능으로 실시간 측정 가능함을 선보였다.
이 연구결과에 의하면 분해능, 측정속도 및 측정가능범위 등 세 가지 성능이 모두 우수해 기존의 고성능 거리 측정 기술들의 성능을 다방면에서 상회하면서 이러한 장점을 부각시킬 수 있는 넓은 역동 범위의 3차원 이미징이나 복잡한 변위 패턴의 실시간 측정 등을 성공적으로 구현했다.
또 서로 멀리 떨어져 있는 다수 지점의 펄스비행시간을 동시에 정밀하게 측정할 수 있는 특징을 활용해 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.
이 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐고 나용진 박사과정 학생이 1저자로 참여한 연구결과는 국제학술지 ‘네이처 포토닉스(Nature Photonics)’에 2월 10일 게재됐다.
