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X선 한계 넘어설 T-레이가 뜬다

차세대 광원 테라헤르츠 파

  • 이진규 기자 ocean@kookje.co.kr
  •  |   입력 : 2011-02-16 20:43:08
  •  |   본지 21면
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- 전파와 광파 특성 모두 갖춰
- 투과력 강하지만 에너지 낮아 인체에 무해한 '그린 웨이브'

- 폭발물·무기 등 검색 가능
- 전신 스캐너 단점 극복, 피부암·식품 이물질 등 탐지

전자기파 파장은 다양한 파장대에서 활용된다. 인간이 볼 수 있는 가시광선 파장은 그 중 극히 일부분이다. 전파는 세부 파장대로 나눠 휴대전화와 방송 등에 활용한다. X선은 의학 분야나 공항·항만 등의 검색대, 식품 품질 검사에 폭넓게 쓰이고 있다. 최근 들어 테라헤르츠 파(T-레이)를 이용한 검색장비가 개발되는 등 테라헤르츠 파가 차세대 광원으로 주목받고 있다.

■초고속 레이저로 T-레이 발생

미국의 한 공항에서 사생활 침해 논란을 일으킨 전신 스캐너를 시연하고 있다. T-레이를 이용하면 이런 논란 없이 숨겨진 물체만 찾아낼 수 있다.
최근 미국 국립표준기술연구소와 콜로라도대가 공동으로 설립한 항공물리공동연구소 연구팀은 레이저에 기반을 둔 테라헤르츠 파를 개발해 광학 전문저널인 옵틱스 레터스에 발표했다. 테라헤르츠 파는 의류와 플라스틱 같은 물질을 관통하지만 테라헤르츠 파장에서 독특한 흡수 특성이 있는 물체들은 탐지해낼 수 있다. 하지만 지금까지 테라헤르츠 시스템은 실용화를 위해 제작하고 설치하는 데 어려움이 있었다. 이 시스템을 만드는 데는 전자적 방식과 광학적 방식을 혼합한 방식이 필요하기 때문이다.

테라헤르츠 파는 전파와 광파(가시광선)의 중간 파장대로 전파의 투과성과 광파의 직진성을 모두 갖는 차세대 광원으로 각광받고 있다. 전파보다 파장이 짧아 높은 해상도의 훨씬 선명한 영상을 얻을 수 있다. T-레이는 X선처럼 투과력이 강하지만 에너지는 X선의 100만분의 1 수준으로 낮아 인체에 해를 입히지 않는 '그린 웨이브'이다.

T-레이는 미국 MIT가 발행하는 테크놀로지 리뷰가 2004년 '우리 세상을 바꿀 10대 신기술'로 선정했다. 그만큼 미국 일본 등은 T-레이를 이용한 계측 분석기술 개발에 많은 투자를 하고 있다. T-레이에 대한 연구는 1990년대에야 본격화되었는데 이는 테라헤르츠 파를 만드는 광원을 개발하는 것이 어려웠기 때문이다. 항공물리공동연구소 연구팀은 레이저빔을 사용하는 새로운 방법을 개발했다.

연구팀은 70펨토초(펨토초는 10초)의 짧은 펄스 폭(지속시간)을 갖는 초고속 레이저로 지속적인 적외선 파장을 반도체에 쏜다. 이때 반도체는 전체에 걸쳐 전기장이 걸려 있다. 레이저의 적외선 파장으로 인해 반도체로부터 튀어나온 전자들은 전기장에서 가속이 붙게 되고 테라헤르츠 파의 파장을 내보내게 된다. 초고속 레이저와 반도체를 활용하는 이 시스템은 다른 방식에 비해 광범위한 주파수 영역과 고밀도 등의 특성을 가져 상업적인 활용 가능성이 큰 것으로 기대되고 있다.

■공항 검색·식품 이물질 검사 활용

한국전기연구원이 개발한 2차원 테라헤르츠파 영상 시스템(아래)과 이를 이용해 밀가루 내 벌레 시료를 측정한 모습.
T-레이는 섬유는 투과하면서 폭발물과 금속 무기류에서는 특징적인 형태로 반사돼 사생활을 침해하는 영상을 만들지 않으면서도 옷 속에 감춰진 물건을 찾아내는데 이용할 수 있다. 미국 등에서 공항 검색에 도입한 전신 스캐너를 대체해 사생활 침해 논란을 잠재울 수 있다. 발생 초기 단계의 피부암이나 상피암에 의해 생긴 피부의 밀도 차이를 감지해낼 수 있어 의료 분야에도 활용할 수 있다.

최근 한국전기연구원은 T-레이를 이용해 식품 내의 이물질을 빠르고 안전하게 검사하는 기술을 개발했다. T-레이는 현재 식품 이물질 검사에 이용하는 초음파 검사나 금속 탐지기, X선의 한계를 뛰어넘을 기술로 주목받는다. X선은 식품 검사의 경우 손상 우려가 있고 밀도가 높은 뼈, 금속, 유리만 검출할 수 있다. 하지만 전기연구원이 개발한 T-레이 검색장비는 밀도가 높은 이물질뿐만 아니라 벌레나 곰팡이, 털 등 밀도가 낮은 이물질도 검출해낼 수 있다. 밀가루 분말을 대상으로 한 실험 결과 T-레이 검색장비는 X선 장비와 같은 수준의 해상도로 이물질을 찾아냈으며 특히 크기가 작은 이물질은 X선 장비보다 더 뚜렷하게 이상 유무를 확인했다.


▶테라헤르츠 파는

테라는 1조를 뜻하는 말로 테라헤르츠파는 10¹¹(1000억)~10¹³(10조)㎐의 주파수로 1초에 1000억 번 이상 진동한다. 전자기파는 전자복사의 전체 주파수 범위에 걸쳐 있다. 주파수에 따라 가장 낮은 전파에서부터 적외선, 가시광선, 자외선, X선, 감마선, 우주선으로 차례대로 분류된다.
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