초고속·초정밀 펄스비행시간 센서 개발
초고속·초정밀 펄스비행시간 센서 개발
  • 함예솔
  • 승인 2020.02.17 20:30
  • 조회수 713
  • 댓글 0
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요약

 

초고속·초정밀 펄스비행시간(TOF) 센서가 개발됐습니다. 연구팀은 한계를 극복하기 위해 기존의 방식과는 완전히 다른 방식의 펄스비행시간 센서를 제안했습니다. 펄스 레이저에서 발생한 빛 펄스와 광다이오드로 생성한 전류 펄스 사이의 시간 차이를 전광 샘플링 기법을 이용해 측정했습니다. 이때 빛 펄스와 전류 펄스 간의 시간 오차가 100 아토초(1경분의 1초) 정도로 매우 적어 빠른 속도로 나노미터 이하의 거리 차이도 정밀하게 측정할 수 있습니다.

KAIST 기계공학과 김정원 교수 연구팀이 펄스 레이저와 전광 샘플링 기법을 이용해 거리 측정에 활용할 수 있는 초고속, 초정밀의 펄스비행시간(time-of-flight, TOF) 센서 기술을 개발했습니다. 이 새로운 펄스비행시간 센서 기술을 이용하면 수소 원자 2개의 크기보다도 작은 180 피코미터(55억분의 1미터) 정도의 위치 차이도 200분의 1초 만에 정확하게 측정할 수 있습니다. 기존 고성능 거리 측정 기술의 성능을 뛰어넘는 새로운 원천 기술이 될 것으로 기대됩니다. 이번 연구는 <Nature Photonics>에 게재됐습니다. 

전류 펄스를 이용한 빛 펄스 비행시간(time-of-flight, TOF) 측정 기술의 개념도. 출처:KAIST
전류 펄스를 이용한 빛 펄스 비행시간(time-of-flight, TOF) 측정 기술의 개념도. 출처:KAIST
기존의 최고성능(state-of-the-art) 거리 및 변위 측정 기술들과의 성능 비교. (좌)-측정 속도와 정밀도 성능 비교. (우)-최대 측정 가능 거리와 정밀도 성능 비교. 출처: KAIST
기존의 최고성능(state-of-the-art) 거리 및 변위 측정 기술들과의 성능 비교. (좌)-측정 속도와 정밀도 성능 비교. (우)-최대 측정 가능 거리와 정밀도 성능 비교. 출처: KAIST

레이저 이용한 거리 측정이 중요한 이유

 

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 활용됩니다. 거리 측정의 분해능, 속도 및 범위 성능이 개선되면 기존 응용기술들의 성능 개선뿐 아니라 이전에는 불가능했던 새로운 물리 현상들의 측정도 가능하게 합니다.

기존의 최고성능(state-of-the-art) 거리 및 변위 측정 기술들과의 성능 비교. (좌)-측정 속도와 정밀도 성능 비교. (우)-최대 측정 가능 거리와 정밀도 성능 비교. 출처: KAIST
기존의 최고성능(state-of-the-art) 거리 및 변위 측정 기술들과의 성능 비교. (좌)-측정 속도와 정밀도 성능 비교. (우)-최대 측정 가능 거리와 정밀도 성능 비교. 출처: KAIST

기존의 고성능 거리 측정 기술들은 크게 두 가지 방식으로 나뉩니다. 기존의 펄스비행시간 기술은 미터 이상의 긴 측정 거리를 갖지만 그만큼 분해능 성능이 떨어지는 문제가 존재합니다. 반면 간섭계 기술은 나노미터 수준의 좋은 분해능을 갖지만 측정 범위가 마이크로미터 수준으로 좁습니다. 또한, 두 기술 모두 측정 속도가 느립니다. 

 

펄스 레이저로 한계 극복

 

연구팀은 이러한 한계들을 극복하기 위해 기존의 방식들과는 완전히 다른 방식의 펄스비행시간 센서를 제안했습니다. 펄스 레이저에서 발생한 빛 펄스와 광다이오드로 생성한 전류 펄스 사이의 시간 차이를 전광 샘플링 기법을 이용해 측정했습니다. 이때 빛 펄스와 전류 펄스 간의 시간 오차가 100 아토초(1경분의 1초) 정도로 매우 적어 빠른 속도로 나노미터 이하의 거리 차이도 정밀하게 측정할 수 있습니다.

 

또한, 전류 펄스의 길이가 수십 피코초 이상으로 길어 밀리미터 이상의 측정 범위가 동시에 가능합니다. 따라서 기존의 펄스비행시간 기술이 갖는 낮은 분해능과 간섭계 기술이 가지는 좁은 측정 범위의 한계를 동시에 뛰어넘을 수 있었습니다.

MEMS 소자 표면의 3차원 이미징 결과. 출처: KAIST
MEMS 소자 표면의 3차원 이미징 결과. 출처: KAIST

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

  • 펄스 비행시간(time-of-flight, TOF)

펄스 비행시간 센서(TOF 센서)는 거리 및 형상 측정에 사용되는 방법 중 하나로, 빛 펄스가 전송되어 측정하고자 하는 대상에 반사되어 돌아올 때까지의 시간을 측정한 뒤, 빛의 속도를 이용하여 대상과의 거리를 측정하는 방법을 의미합니다.

  • 전광 샘플링(electro-optic sampling)

전기 신호의 전기장(electric field)을 피코초(10-12초) 이하의 매우 짧은 폭의 빛 펄스를 이용하여 샘플링하는 기법으로 빛 펄스의 위치나 전기장의 형태를 매우 정밀하게 측정할 수 있는 방법을 의미합니다.

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 전망했습니다. 

 

김정원 교수. 출처:KAIST
김정원 교수. 출처:KAIST

 

 

 

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 전했습니다.

 

 

 

 

 

 


##참고자료##

 


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