[논문]소형 CW Sub-THz 시스템을 이용한 테라헤르츠 이미징

장진석; 권일범; 윤동진; 서대철

doi:10.5515/kjkiees.2010.21.4.340

소형 CW Sub-THz 시스템을 이용한 테라헤르츠 이미징
Terahertz Imaging Using Compact Continuous Wave Sub-Terahertz System 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.21 no.4=no.155, 2010년, pp.340 - 351

장진석 (한국표준과학연구원 안전측정센터) , 권일범 (한국표준과학연구원 안전측정센터) , 윤동진 (한국표준과학연구원 안전측정센터) , 서대철 (한국표준과학연구원 안전측정센터)

초록
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전기적인 장치를 기반으로 한 테라헤르츠 송신기(Terahertz Transmitter: Tx)를 이용하여 0.34 THz의 전자기파를 발생시키는 소형 CW sub-THz 이미징 시스템을 제시하였다. Tx에 의해 발생된 0.34 THz의 전자기파는 테라 헤르츠 수신기(Terahertz Receiver: Rx)를 이용하여 샘플의 진폭(magnitude)과 위상(phase) 정보를 각각 측정하였다. 이 논문에서는 보다 좋은 이미지 해상도를 얻기 위하여 데이터 수집 시 이미지의 분해능(resolution)에 영향을 미치는 주사 스테이지(scanning stage)의 시간 지연과 스텝 거리를 변수로 두어 다양한 샘플들을 주사하여 그 결과를 측정, 비교하였다. 또한 플라스틱, 종이, 나무 등 다양한 샘플들의 이미징 측정을 통해 테라헤르츠 파의 응용 가능성을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presented compact CW sub-THz imaging system using the terahertz transmitter(Tx) that generates 0.34 THz electromagnetic wave based on electronic device. Using 0.34 THz electromagnetic wave generated by Tx, we measured transmitting terahertz wave magnitude and phase information respectively with terahertz receiver(Rx) based on sub harmonic mixer. This paper measured and compared images of several samples to obtain better imaging results by changing time delay and step distance of scanning stage which affect image resolution. Also, through the imaging measurement of various samples, we were able to assure possibility of application of terahertz wave.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

암이 발생한 조직 세포는 정상세포보다 많은 수분을 함유하고 있어 THz 파의 많은흡수를 보일 것이다. 그 예로 나뭇잎의 수분 함유량에 따른 THz 파 이미지 즉정을 실시해 보았다. 우선나뭇가지에서 나뭇잎을 확보한 후 그 무게를 측정한결과, 나뭇잎의 무게는 3.
이러한 특성들은 최근 THz 파가 이미징 분야에서 세계적인 관심을 끌고 있는 이유 중의 하나이기도 하다命冋. 이 논문에서 우리는 THz 이미징을 통한 물체의실시간 비 파괴 측정을 목표로 하는 그룹으로써, 많은 연구실에서 주로 사용하고 있는 광학장치를 이용한 거대하고 복잡하며 샘플 스캔 시 많은 측정 시간이 걸리는 광학시스템과 비교하여 이미징 시스템을소형화하고 간결화 할 수 있을 뿐만 아니라 샘플의빠른 측정이 가능하고 상대적으로 적은 설치비용이드는 방법으로 다이오드, 발진기(oscillator), 배율기 (multipliers) 등과 같은 전자장치를 이용한 소형 CW sub-THz 이미징 시스템을 제시한다冋旳.
34 THz의전자기파를 발생시켰으며, Schottky diode detector로부터 진폭과 위상 신호를 각각 측정하여 비교하였다. 이 논문을 통해 이미지 측정 시 해상도에 영향을미치는 요인인 주사 스테이지의 시간 지연과 스텝거리를 조절하여 샘플을 이미징 함으로써 최적의 이미지 측정을 위한 조건을 제시하고 종이상자, 나무상자, 플라스틱 용기 등 다양한 재질의 포장재 내부이미지 확인을 통해 비파괴 측정 도구로써 THz 이미징 기술의 실용화 가능성을 확인하였다.

가설 설정

3. (a) Full Tx-Rx 0, 34 THz stability with minutes, (b) Full Tx-Rx 0.34 THz stability with hours.

제안 방법

0.34 THz의 전자기파를 발생시키는 THz 송신기와 이를 검출하는 THz 수신기를 이용하여 소형 CW THz 이미징 시스템을 구성하여 샘플들의 2차원 이미지를 측정하였다. 실험을 통해 이미지 해상도와관련된 주사 스테이지의 시간 지연과 스텝 거리를변수로 두어 샘플 이미지 측정을 한 결과, 데이터 수집 시 시간 지연이 길수록, 그리고 스텝 거리가 짧을수록 이미지의 해상도가 훨씬 증가함을 확인하였다.
본 실험에서 사용된 CW sub-THz 이미징 시스템은 그 발생과 검출이 순수한 전자장치를 이용한 것으로, 위상 잠금된 PDRO(Phase Locked Dielectric Resonator Oscillators)와 배율기를 이용하여 0.34 THz의전자기파를 발생시켰으며, Schottky diode detector로부터 진폭과 위상 신호를 각각 측정하여 비교하였다. 이 논문을 통해 이미지 측정 시 해상도에 영향을미치는 요인인 주사 스테이지의 시간 지연과 스텝거리를 조절하여 샘플을 이미징 함으로써 최적의 이미지 측정을 위한 조건을 제시하고 종이상자, 나무상자, 플라스틱 용기 등 다양한 재질의 포장재 내부이미지 확인을 통해 비파괴 측정 도구로써 THz 이미징 기술의 실용화 가능성을 확인하였다.
샘플은 XZ translation stage에 고정시켜 이동시켰고, 이미지는 샘플을 point by point 방식으로 주사하여 얻었다.
실험에서 사용된 Tx-Rx 시스템은 그동안 다른 그룹에서 주로 진폭 또는 위상에 대한 한가지 정보만을 이용하여 이미징 실험을 실시한 것과는 달리 진폭과 위상 신호를 동시에 측정하여 그 결과를 이미지로 나타내었다. 진폭에 대한 정보는 주로 경계 값의 검출에 유용하고, 위상에 대한 정보는 물체의 내 부 구조를 파악하는데 유용하다는 결론闫이 실험적으로 얻어진 바 있듯이 Tx-Rx 시스템을 이용하여 동시에 얻어진 진폭과 위상 정보는 앞으로 실시될 실시간 CW THz Imaging의 연구에 있어서 다양한 샘플들의 보다 정확하고 심도 있는 측정을 가능하게 할 것이다.
알루미늄 슬릿을 이용하여 스텝 거리에 따른 이미지를 측정하였다. 각 슬릿 사이의 간격은 5 mm로일정하게 유지한 상태에서 슬릿의 폭을 0.
그 예로 나뭇잎의 수분 함유량에 따른 THz 파 이미지 즉정을 실시해 보았다. 우선나뭇가지에서 나뭇잎을 확보한 후 그 무게를 측정한결과, 나뭇잎의 무게는 3.10 g을 나타내었고, 사진에나타낸 것과 같이 나뭇잎을 고정시켜 THz 파를 투과 시킨 후 이미지를 측정하였다. 그리고 같은 샘플을 12일 경과한 후 무게를 측정하였고, 1.

성능/효과

5초로 측정했을 때가 Fig. 7(c), (d) 에서 보이는 것과 같이 카드에 내재된 칩과 테두리, 금속활자 부분의 이미지 측정 결과에서 뛰어난 분해능을 나타냄을 확인할 수 있다.
4(c), (d)는 슬릿의 일부분만 측정하여 결과를 나타내었다. 각 측정 결과에서 알 수 있듯이 스텝 거리 1 mm와 0.1 nun의 진폭과 위상 이미지 모두 각각의 슬릿에 대한 식별이 가능함을 확인하였으며, 스텝 거리에 따른 해상도의 차이도 확인할 수 있었다. 각 슬릿의 모서리 부분에서 나타난 퍼짐현상은 THz 파의 회절에 의한 것이다.
실험을 통해 이미지 해상도와관련된 주사 스테이지의 시간 지연과 스텝 거리를변수로 두어 샘플 이미지 측정을 한 결과, 데이터 수집 시 시간 지연이 길수록, 그리고 스텝 거리가 짧을수록 이미지의 해상도가 훨씬 증가함을 확인하였다. 또한 수분변화에 따른 나뭇잎의 이미지 변화와 종이상자, 나무상자, 플라스틱 통 등에 감춰진 위험물 확인을 위한 이미징 실험 결과, THz 이미징 기술이 바이오, 의학, 보안 등 다양한 분야에서 비파괴 영상기술로써 응용이 가능한 도구임을 확인할 수 있었다. 그러나 소형 CW THz 이미징 시스템의 현장에서의직접적인 실용화를 위해서는 현재의 시스템과 비교하여 실시간 영상화가 가능할 정도의 빠른 스캔 속도와 간편한 이동을 위한 발전된 소형화 ・ 간결화가이루어져야 할 것이다.
1 THz에서 10 THz에 이르는 주파수 영역을 나타내고 있으며, 전파와 광파의 가운데에 위치함에 따라 전파가 가지는 투과성과광파가 가지는 직진성을 동시에 보유한다는 장점을가지고 있다. 또한, THz 파 에너지는 대부분의 분자들이 가지는 에너지 즉, 비틀림, 진동, 회전 에너지등과 공명을 잘 일으키므로 물질 고유의 독특한 흡수 스펙트럼을 확인할 수 있다. 이러한 THz 파의 특성을 이용한 응용이 분광학, 이미징 분야에서 최근활발히 연구되고 있다卜的.
또한, 플로피디스크와 신용카드에 0.34 THz 파를투과시켰을 때 샘플 각 부분의 흡수율 차이에 따라 THz 파의 투과율을 확실하게 구별할 수 있었으며, 데이터 수집에 있어서 주사 스테이지의 시간 지연의 차이가 이미지의 해상도에 상당한 영향을 미치는 것을 확인하였다. Fig.
34 THz의 전자기파를 발생시키는 THz 송신기와 이를 검출하는 THz 수신기를 이용하여 소형 CW THz 이미징 시스템을 구성하여 샘플들의 2차원 이미지를 측정하였다. 실험을 통해 이미지 해상도와관련된 주사 스테이지의 시간 지연과 스텝 거리를변수로 두어 샘플 이미지 측정을 한 결과, 데이터 수집 시 시간 지연이 길수록, 그리고 스텝 거리가 짧을수록 이미지의 해상도가 훨씬 증가함을 확인하였다. 또한 수분변화에 따른 나뭇잎의 이미지 변화와 종이상자, 나무상자, 플라스틱 통 등에 감춰진 위험물 확인을 위한 이미징 실험 결과, THz 이미징 기술이 바이오, 의학, 보안 등 다양한 분야에서 비파괴 영상기술로써 응용이 가능한 도구임을 확인할 수 있었다.
005 dBm 정도의변동률을 나타내 었고, 위상은 3~5 deg 정도의 변동률을 나타낸다. 이는 실험에서 사용된 Tx-Rx가 sub- THz 이 미징 시스템을 구성하는데 필요한 높은 출력과 안정성을 가지고 있음을 보여준다.
1 mm일 때의 투과도 그래프가 스텝 거리 1 mm일 때와 비교하여 다양한 폭의 슬릿을 THz 파가 투과함에 있어서 매우 안정된정렬상태를 나타내고 있음을 보여준다. 이러한 투과그래프 정렬상태의 차이가 이미지의 해상도에 상당한 영향을 미치고 있음을 확인할 수 있었다.

후속연구

본 실험의 결과는 CW THz imaging 측정에서 필요한 최적의 이미징 조건을 제시하기 위한 기초실험이며, 실험에서 사용된 소형 CW sub-THz 이미징 시스템은 앞으로 진행될 의료, 보안, 우주, 통신 등 다양한 분야에서의 빠르고 쉬운 실시간 THz 비파괴검사를 실현하는데 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.
나타내었다. 진폭에 대한 정보는 주로 경계 값의 검출에 유용하고, 위상에 대한 정보는 물체의 내 부 구조를 파악하는데 유용하다는 결론闫이 실험적으로 얻어진 바 있듯이 Tx-Rx 시스템을 이용하여 동시에 얻어진 진폭과 위상 정보는 앞으로 실시될 실시간 CW THz Imaging의 연구에 있어서 다양한 샘플들의 보다 정확하고 심도 있는 측정을 가능하게 할 것이다.

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