나노미터까지 측정하는 '펄스레이저' 나온다

[아시아경제 황준호 기자] 국내 연구진이 나노미터 단위까지 측정 가능한 펄스레이저 측정 기술을 개발했다. 기존 고성능 거리 측정 기술의 한계를 뛰어넘은 기술로, 향후 자율주행 라이더 등에 활용할 수 있을 것으로 예상된다.

KAIST는 김정원 기계공학과 교수 연구팀이 펄스 레이저와 전광 샘플링 기법을 이용해 거리 측정에 활용할 수 있는 초고속, 초정밀의 펄스비행시간 센서(TOF 센서) 기술을 개발했다고 12일 밝혔다.

나노 단위까지 측정가능한 펄스레이저 측정 기술

연구팀은 새로운 형태의 펄스레이저 거리 측정 기술을 개발했다. 펄스 레이저에서 발생한 빛 펄스와 광다이오드로 생성한 전류 펄스 사이의 시간 차이를 전광 샘플링 기법을 이용해 측정하는 기술이다. 이 기술을 활용하면 빠른 속도로 나노미터 이하의 거리 차이도 정밀하게 측정할 수 있다. 또 전류 펄스의 길이가 수십 피코초 이상으로 길어 밀리미터 이상 거리도 측정할 수있다.

펄스 비행시간 센서는 거리 및 형상 측정에 사용되는 방법 중 하나다. 빛 펄스가 쏘아 측정하고자 하는 대상에 반사돼 돌아올 때까지의 시간을 측정한 다음, 빛의 속도를 이용해 대상과의 거리를 측정하는 방법이다.

이 기술은 기존 고성능 거리 측정 기술의 한계를 뛰어넘었다. 기존 펄스비행시간 측정기술은 미터 이상의 긴 측정 거리를 갖지만 그만큼 분해능(측정능력)이 떨어졌다. 반면 간섭계 기술은 나노미터 수준의 좋은 분해능을 갖지만 마이크로미터 수준의 좁은 측정 범위를 측정할 수 있었다. 특히 두 기술 모두 측정 속도가 느리다는 공통적인 한계가 있다.

실시간 측정 가능

연구팀의 새로운 펄스비행시간 센서 기술을 이용하면 수소 원자 2개의 크기보다도 작은 180 피코미터(55억분의 1미터) 정도의 위치 차이도 200분의 1초 만에 정확하게 측정할 수 있다고 밝혔다.

연구팀은 고분해능 3차원 형상 이미징 기술을 시연했고, 지진파나 화산 활동 측정과 같이 미세한 변형을 측정하는 데 활용할 수 있는 고정밀 변형률 센서도 구현했다. 또 초고속 측정에서도 높은 분해능을 갖는다는 장점을 이용해 100MHz(1초에 1억 번의 진동에 해당) 이상의 속도로 변화하는 물체의 위치도 나노미터 분해능으로 실시간 측정해냈다.

연구팀은 이 기술이 향후 자율주행 등에 사용되는 라이다(LiDAR)나 반도체 공정, 지진 감지, 중력파 검출 등 자연 현상 탐지까지 다양한 분야의 핵심 기술로 활용될 수 있을 것으로 예상했다.

김 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.

나용진 박사과정 학생이 1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 학술지인 네이처 포토닉스에 10일 자로 게재됐다.

황준호 기자 rephwang@asiae.co.kr