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산업바이오&ICT
10억분의 1m도 감지...초정밀 측정 지평 넓혀

■'이달의 과학기술인상' 김정원 KAIST 교수

초고속·다기능성 센서기술 개발

드론 등 소형비행체 원격탐지 가능

국내 반도체 검사장비에 응용도

김정원(오른쪽) 한국과학기술원(KAIST) 기계공학과 교수가 연구실에서 학생 연구원과 의견을 나누고 있다.




세종대왕은 1446년 10월26일 길이와 부피의 계량체계를 확립했다. 이날을 ‘계량측정의 날’로 삼아 오늘날 충남 당진에 있는 한국도량형박물관에서 해마다 기념식을 여는 것도 이 때문이다. 치(寸·약 3.03㎝)·척(尺·30.3㎝) 등 전통 측정단위 소개와 그것이 담긴 민화 전시, 현재의 ㎏·m 등 국제표준원기(SI) 설명까지 전시회도 갖는다.

오늘날 대전에 한국표준과학연구원을 두고 예산을 투입하는 것도 계량측정을 전문적으로 연구하도록 하기 위해서다.

이 중 초정밀 측정을 위한 센서기술은 실생활과 가상네트워크를 연결하는 사물인터넷(IoT)의 기반이다. 반도체·디스플레이·자율주행차 사업을 이끄는 4차 산업혁명 시대의 인프라라고 볼 수 있다.

과학기술정보통신부(장관 최기영)이 주최하고 한국연구재단(이사장 노정혜)과 서울경제가 공동주관하는 ‘이달의 과학기술인상’ 10월 수상자인 김정원(44·사진) 한국과학기술원(KAIST) 기계공학과 교수는 기존의 고성능 거리 측정 센서기술의 패러다임을 뛰어넘는 초고속·다기능성 센서기술을 개발해 주목된다. 피코미터(1조분의1m) 단위까지 물리 현상의 측정 가능성을 연 것이다.

전광 샘플링 타이밍 검출기(EOS-TD)를 이용한 피코미터 분해능의 변위 측정 기술.




이 센서기술을 활용하면 원자력발전소 등의 응력과 변형을 실시간 모니터링하고 지진파, 조수 변화, 마그마의 유동과 같은 환경 변화 탐지, 드론 등 저속·소형 비행체의 원격탐지도 가능하다. 첨단 소재·부품·장비 개발을 위한 초정밀 3차원 형상과 물체의 변형을 고속으로 정확하게 측정할 수 있다. 그는 “펨토초(1,000조분의1m) 펄스 레이저와 마이크로파 전기 신호를 이용해 1㎝의 범위에 걸쳐 나노미터(10억분의1m)보다 작은 차이를 2만분의1초 안에 정확하게 측정할 수 있게 됐다”고 설명했다.

연구팀은 앞서 레이저에서 발생한 빛 펄스와 광다이오드로 생성한 전류 펄스 사이의 시간 차가 100아토초(1경분의1초) 이하로 매우 작다는 것을 발견하고 한 번에 여러 지점을 동시 측정할 수 있는 초고속·초정밀·다기능 펄스비행시간(TOF·time-of-flight) 센서를 개발했다. 펄스비행시간은 규칙적인 파동인 빛 펄스가 측정 대상에 부딪혀 반사돼 돌아오는 시간을 측정한 뒤 빛의 속도를 이용해 대상과의 거리를 측정하는 방법이다. 그의 연구 성과는 올 2월 네이처 포토닉스에 게재됐다.

김 교수는 “이번 연구는 다지점·다기능성 복합 센서 네트워크 시스템을 구현해 초정밀·고성능 측정기술을 개발한 것”이라며 “국내 반도체 검사장비에 응용하는 산학과제도 활발히 펴고 있다”고 밝혔다. 그는 이어 “앞으로 마이크로 소자 내 역학현상 탐구나 첨단제조를 위한 초정밀 형상측정 등 기계·제조 분야에서 다양하게 활용될 것”이라고 기대했다. /고광본 선임기자 kbgo@sedaily.com

EOS-TD를 이용한 다기능성 센서 및 이미징 기술.
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