[붙임] 연구결과 개요, 용어설명

1.연구배경

테라헤르츠파 (terahertz wave)는 파장이 0.03 mm ~ 3 mm, 진동수로는 0.1 ~ 30 THz이라는 특정 파장 및 진동수 영역의 전자기파이다. 테라헤르츠파는 통신 등에 사용되는 라디오파나 마이크로파에 비해 파장이 짧아서 물질 투과성이 좋은 반면 광자 (광입자, photon) 하나 하나의 에너지는 X-ray 광자보다 훨씬 작기 때문에 물질, 특히 생체에 입히는 손상이 거의 없다는 장점이 있어, 의료 진단, 보안 검색 시스템, 반도체 소자를 비롯한 여러 가지 시스템의 결함 탐지 등 산업적 응용이 매우 크고 경제적 파급 효과가 엄청날 것으로 예상된다. 단순한 전자기파 파장 영역의 하나인 테라헤르츠파가 주목받는 이유다.

이처럼 유용한 테라헤르츠파가 그동안 폭넓게 사용되지 못한 것은 테라헤르츠파를 내는 광원을 만들기가 매우 어렵기 때문이다.

테라헤르츠파를 만드는 방법은 여러 가지가 있는데, 리튬니오베이트와 같은 결정에 레이저로 에너지를 공급하여 이로부터 테라헤르츠파를 뽑아내는 방법이 가장 고강도, 고효율의 테라헤르츠 광원인 것으로 알려져 있다. 그러나, 이처럼 결정에 레이저를 조사하는 방법은, 레이저의 강도를 너무 크게 할 경우 결정이 녹아버리므로 테라헤르츠파의 출력을 높이는 데에 한계가 있을 수 밖에 없다.

반면 플라즈마에 레이저를 조사하여 테라헤르츠파를 만드는 방법들도 있는데, 플라즈마는 물질이 이온과 전자로 해리된 상태로서 이른바 이미 녹아버린 물질이므로 레이저의 강도를 매우 크게 하여 고출력의 테라헤르츠파를 얻어내는 것이 원리적으로 가능하다.

2.연구내용

플라즈마를 이용하는 방법이 원리적으로는 초고강도의 테라헤르츠파 광원이 될 수 있으나, 실제로 어떻게 플라즈마와 레이저의 상호작용을 조작하여야 테라헤르츠파가 나올 수 있는지는 상당이 어려운 문제였다. 다양한 아이디어들이 그동안 제시되었으나, 이번 연구에서는 플라즈마의 밀도 구배에 진동수가 약간 다른 두 개의 레이저의 맥놀이파를 이용함으로써 진동수 변조가 쉽고, 레이저에서 테레헤르츠파로 전환되는 에너지 효율이 기존에 비해 수 배 높으며, 발생된 테라헤르츠파의 강도가 매우 높고 방향성이 좋은 테라헤르츠 광원의 방법을 제시하였다.

3.기대효과

이번 연구에서 제시된 방법으로 테라헤르츠를 만들 경우 그동안 할 수 없었던 초강력 테라헤르츠 영역의 비선형 물성 연구와 같은 기초 과학 분야, 테라헤르츠를 이용한 초소형 입자 가속기 (기존의 거대한 입자 가속기 시설을 작은 방 크기의 장치로 구현하는 것), 초고속 테라헤르츠 통신 장치, 생체 암진단 등의 분야에 큰 영향을 줄 수 있을 것으로 기대된다.

[붙임] 그림설명

그림1. 레이저에 의해 만들어진 플라즈마 진동자 (plasma oscillator)에서 테라헤르츠파가 방출되는 모습을 컴퓨터 시뮬레이션으로 구현함.