테라헤르츠 전자기파를 이용한 수분 검출

성동준, 강철*, 오승재*,함승주, 설용건, 손주혁*

연세대학교, 서울시립대학교*

Detection of H2O Using Terahertz Electromagnetic Waves

Dong-Jun Sung, Kang Chul*, Seungjoo Haam, Yong-Gun Seol,

and Joo-Hiuk Son*

Yonsei University, University of Seoul*

1. 서론

테라헤르츠 전자기파 (이하 테라파)는 주파수 영역대가 수백 MHz부터 수 THz까지인 원적외선 영역 (far-infrared)으로 기존의 적외선 (infrared)이나 마이크로파 (microwave)로 접근하기 어려운 부분에 걸쳐있다. 따라서 회전분광학적으로 중요한 기체 물질과 극성 액체 물질의 분석에 있어 매우 중요한 실험방식이다 [1]-[3].

과거에 테라파 분광학은 원적외선 영역대 신호원 (source)이 coherent하지 않고 수신부 (detector)의 낮은 수신 감도 때문에 그다지 각광받지 못한 분야였다. 1980년대 이후 고체 매질을 이용한 펨토초 (femtosecond) 레이저의 비약적인 발전으로 인해 이러한 어려움들을 극복하며 테라헤르츠 시간축 분광학 (THz- time domain spectroscopy, 이하 THz-TDS) 방식으로 여러 실험에 적용하게 되었다. 특히 THz-TDS 방식은 원적외선 영역대에서 물질의 특성과 물리적 현상을 보고자 했던 연구자들에게 많은 도움을 줄 수 있다.

이러한 테라파를 발생시키는 방법으로는 optical rectification, 마이크로 안테나를 이용하는 photoconducting method 등이 있다.

한편 이렇게 발전하게 된 테라파 실험은 시간축 상에서 측정한 물질에 대한 실시간 영상화를 가능하게 하였다. 이것은 테라파 실험 세팅을 영상장치와 연결한 것으로서 테라파의 파형 변화를 실시간으로 얻어내어 그것을 신호 해석을 통해 물질의 원적외선 영역대의 이미지를 얻고, 화학적 조성을 분석해 내는 기술이다. 이러한 테라파 이미징 기술의 특성은 수분의 검출과 플라스틱의 품질관리, 반도체 소자의 봉입검사, 기체 성분 분석과 모니터링 등 다양한 상업적 기술에 쓰일 수 있을 것으로 생각된다.

이 논문에서는 테라파 이미징에 있어서 가장 기본이 되는 수분의 검출과 이의 정량적 측정과 기존의 질량 분석기를 통해 얻어진 자료와의 비교로 그 차이점을 구하고자 한다. 이는 앞으로 실험에 있어서 기초적인 역할을 하는 데 그 의미가 있다 [3]-[5].

2. 이론

테라파 이미징의 잠재력은 테라파가 가지고 있는 많은 특성에 기인한다. 테라파는 수분이 없고, 비금속성이며, 비극성 물질인 플라스틱이나 종이 혹은 유기물질에 대해 투과를 잘 한다. 또한 유전체에서는 그 물질이 가지고 있는 편향성(polarity)이나 음향 양자 공명현상 (optical phonon resonaces)에 의해 그 흡수율이 영향을 받는다. 반대로 금속과 같은 도전성 물질은 테라파가 전혀 투과하지 못하며, 극성 유기물질들은 이 주파수 영역대에서 테라파를 강하게 흡수한다. 또 극성을 가진 기체들에서는 강하고 날카로운 흡수선을 보인다.

THz-TDS는 펄스를 진폭과 위상을 동시에 측정하므로, 입력 파형과 출력 파형을 비교하여 측정하고자 하는 물질의 복소 유전 함수 (complex dielectric function)를 얻을 수 있다.

이 THz-TDS가 특별히 유용한 이유는 이러한 스펙트럼 정보가 시간축에서 그대로 나타난다는 것이다 [1],[2]. 그림 1은 두께가  3.4 □인 캡톤을 테라파를 이용해 측정한 것이다. 가는 실선은 샘플이 없이 공기중에서 투과했을 때이고, 굵은 실선은 캡톤을 투과했을 때이다.

그림 1. 측정 테라헤르츠 전자기파 펄스의 파형.

3. 실험

이번 실험에서는 테라파가 극성 물질인 물에 매우 잘 흡수가 된다는 점을 이용해서, 과연 테라파의 파형이 우리가 준비한 cell 내에서 온도의 상승에 따른 상대적인 수증기의 양의 증가에 의해 어떠한 형태로 변화하는지 알아보았다.

이 실험에서 획득한 신호를 분석하면 수분량의 변화에 따른 흡수도의 변화를 알 수 있다. 이 결과를 이용하면 흡착제를 집어넣은 후, 온도를 올리면서 탈착을 시킬 때 파형이 변하는 것을 정량적으로 분석할 수 있다.

실험장치는 그림 2에서 보는 바와 같다. 실험에 사용한 펌핑 레이저는 Spectra-Physics사의 Ti:sapphire 레이저인 Tsunami를 사용하였다. 레이저의 repetition rate는 82 MHz이고, 실험을 할 때의 파장은 790 nm, spectrum width는 14 nm로 유지했다. 또한 chopping frequency는 400 Hz로 하였다. 그리고 실험을 할 때에 테라파 신호원에 되도록 많은 레이저 파워의 전달을 위해 일반적인 실험방식과는 달리 chopper를 그림에서처럼 테라헤르츠 신호원 뒤에 설치하였다. 이 실험에서의 레이저의 초점렌즈는 8 mm 초점 길이에 20배의 확대 폭을 가진 것을 사용했다. 테라파가 발생이 된 후 모으기 위해 초점 길이가 4인치인 off-axis parabolic 미러를 사용하였다.

이 실험을 위해서 트랜스미터로 사용한 안테나는 갭 사이의 간격이 5 □인 dipole 안테나를 사용하였다. 이때 사용된 안테나의 substrate로는 undoped GaAs wafer를 사용하였으며 이때 사용된 금속 도선으로는 도전성이 우수한 금을 이용했다. 이때의  두 라인의 너비는 각각 10 □이며, 라인 사이의 간격은 80 □이다.

그림 2. 테라파 발생 및 검출 장치.

디텍터로는 전자와 홀의 재결합 시간 (recombination time)이 약 500 fs인 저온생장 GaAs를 substrate로 하는 dipole 안테나를 사용하였으며 기본적인 형태는 트랜스미터와 동일하다.

트랜스미터와 디텍터로 사용하는 안테나의 substrate 뒷면에서는 테라파가 발생하여 전파되어 나아갈 때 자유공간과 wafer의 굴절률 차에 의해서 발생하는 total internal reflection을 생기게 된다. 또한 테라헤르츠 전자기파가 레이저의 포커싱에 의해 굉장히 작은 구역 내에서 발생하게 되어 퍼짐현상이 된다. 이러한 것들을 방지하기 위하여 테라헤르츠 전자기파 주파수 대역에서 흡수가 거의 없는 실리콘 렌즈를 wafer 뒤에 부착시켰다. 이 실리콘 렌즈는 지름이 8.9 mm 이고, 높이가 6.41 mm인 hyper-hemispherical형태이며, 약 1 □·cm-1의 도핑이 되어 있다. 테라헤르츠 전자기파 펄스가 발생되는 신호원 부분에서 발생된 테라헤르츠 펄스는 실리콘 렌즈의 위치에 따라 신호의 세기와 진행방향이 변하게 된다. 이를 조절하기 위해 우리가 실험을 할 때에 테라헤르츠 전자기파를 발견 후 실리콘 렌즈를 움직여 신호원 부분과 테라헤르츠 펄스를 검출해내는 다이폴 갭의 초점을 잘 일치시킬 수 있도록 하였다.

4. 결과 및 토론

그림 3에서 보듯이 cell의 바닥에 액체상태인 물을 넣어 온도를 올려주었을 때 증가한 수증기의 양에 의해 테라파의 amplitude가 줄어든 것을 확인할 수 있었다.  바닥에 고여 있던 액체상태의 물은 온도가 높아짐에 따라 점점 많은 양이 기화되고 이렇게 발생된 수증기는 극성 물질이므로 테라파를 흡수하여서 파형의 감소와 시간적인 delay가 발생하는 것이다.

그림 4는 이에 대한 fast fourier transform (FFT)으로 주파수 영역대에 따른 수분이 테라파를 흡수하는 정도, 즉 어떤 주파수 영역대에서 테라파가 많이 흡수되고 적게 흡수되는지를 알 수 있었다. 이를 토대로 테라파가 수분에 대해 얼마나 민감한지 알 수 있었으며, 앞으로 진행해 나갈 실험에 대한 방향을 제시할 수 있었다.

본 연구는 한국과학재단의 특정기초연구 과제번호 1999-2-111-004-3의 지원으로 이루어졌습니다.

그림 3. 온도 변화에 따른 테라파 파형의 변화.

그림4. 그림 3의 FFT.

5. 참고 문헌

[1] J.-H. Son, T. B. Norris, and J. F. Whitaker, J. Opt. Soc. Am. B, vol. 11, p. 2519, 1994.

[2] J.-H. Son, W. Sha., J. Kim, T. B. Norris, J. F. Whitaker, and G. A. Mourou,   Appl. Phys. Lett., vol. 63, p. 923, 1993.

[3] M. van Exter, Ch. Fattinger, and Grischkowsky, Opt. Lett., vol. 14, No. 20, October 15, 1989.

[4] R. A. Cheville and D. Grischokowsky, J. Opt. Soc. Am. B, vol. 16, No. 2, February, 1999.

[5] D. M. Mittleman, R. H. Jacobsen, and M. C. Nuss, IEEE J. of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 2, No. 3, September, 1996.