보고서 정보
| 주관연구기관 |
한국표준과학연구원
Korea Research Institute of Standards and Science |
| 연구책임자 |
권택용
|
| 참여연구자 |
박종철
,
이관일
,
문걸
,
석효준
,
김문석
,
이호석
|
| 보고서유형 | 최종보고서 |
|---|
| 발행국가 | 대한민국 |
|---|
| 언어 |
한국어
|
| 발행년월 | 2023-02 |
|---|
| 과제시작연도 |
2022 |
| 주관부처 |
과학기술정보통신부
Ministry of Science and ICT |
| 연구관리전문기관 |
정보통신기획평가원
Institute of Information&Communications Technology Planning&Evaluation |
| 등록번호 |
TRKO202400003903 |
| 과제고유번호 |
1711152922 |
| 사업명 |
양자센서핵심원천기술개발 |
| DB 구축일자 |
2024-07-10
|
| 키워드 |
양자중력계.원자중력계.원자간섭계.레이저 냉각.양자센서.quantum gravimeter.atom gravimeter.atom interferometry.laser cooling.quantum sensor.
|
초록
▼
□ 연구개발 목표 및 내용
○ 최종 목표
* 세계 최고 성능의 이동형 고감도 절대 양자중력계 개발
- 저온 원자 물질파간섭 현상을 이용한 세계 최고의 고감도 양자중력계 센서 개발
- 정확도(불확도) 10 nm/s2 (중력기준 1 ppb) 이하 (세계 최초 sub-μGal 중력계)1)
- 감도 50 nm/(s2 Hz1/2) 이하, 안정도 0.5 nm/s2 @ 1d 이하
* 휴대형 절대 양자중력계 핵심 기술 개발
□ 연구개발 목표 및 내용
○ 최종 목표
* 세계 최고 성능의 이동형 고감도 절대 양자중력계 개발
- 저온 원자 물질파간섭 현상을 이용한 세계 최고의 고감도 양자중력계 센서 개발
- 정확도(불확도) 10 nm/s2 (중력기준 1 ppb) 이하 (세계 최초 sub-μGal 중력계)1)
- 감도 50 nm/(s2 Hz1/2) 이하, 안정도 0.5 nm/s2 @ 1d 이하
* 휴대형 절대 양자중력계 핵심 기술 개발
- 세계 최초 평면광학 소자가 집적된 소형 원자 냉각 및 간섭계용 물리부 개발
. 회절 격자 이용 단일빔 원자 포획 구현: 원자수 107 개 이상, 온도 10 μK 이하
. 전체 물리부 크기 (50×30×50) cm3 이하
- 광회로 및 광섬유 기반 소형 레이저 시스템 개발
. 광회로 기반 단일 측파대 광변조 장치 개발
: 최대 변조 주파수 9.2 GHz 이상
: 1st sideband 변조 및 삽입손실 < 12 dB , -1st sideband 억제 비율 > 25 dB
. 광섬유 기반 소형 레이저 시스템 개발
: 출력 > 250 mW, 선폭 < 20 kHz, 위상잡음 < -110 dBrad2/Hz@10kHz
: 레이저 광학계 크기: 19 인치 2 유닛
- 휴대형 절대 양자중력계 구현 및 중력 측정
. 평면광학 소자 기반 물리부와 광회로/광섬유 기반 레이저 시스템이 적용된 휴대형 절대 양자중력계 구현
. 저온 원자 물질파 간섭 형성 및 중력 측정
: 감도 5 μm/(s2 Hz1/2) 이하, 안정도 0.5 μm/s2 @ 1h 이하
○ 전체 내용
* 이동형 고감도 절대 양자중력계 센서 기술 개발
- 이동형 고안정, 고감도 양자중력계용 물리부 제작
. 진공도 10-9 Torr 이하, 자기차폐 20 dB 이하, 진동잡음 3×10-9 g/Hz1/2 이하
. 알칼리 원자 공급 및 증기압 제어
- 이동형 레이저시스템 개발
. 냉각용 레이저 출력 > 250 mW, 선폭 < 50 kHz, 주파수안정도 < 1×10-11 @ 1s
. 라만레이저 출력 250 mW 이상, 위상잡음 -120 dBrad2/Hz@1kHz 이하
- 양자중력계 안정도 및 정확도 개선 연구
. 감도 50 nm/(s2 Hz1/2), 안정도 0.5 nm/s2 @ 1d 이하, 정확도 10 nm/s2
- Coriolis 힘 및 파면 왜곡 효과 개선 연구
. λ/300 수준의 거울 및 λ/4 파장판에 의한 위상 왜곡 평가기술 개발
. 이론적인 신호 분석 및 개선 연구
* 휴대형 절대 양자중력계를 위한 핵심 기술 개발
- 평면광학 소자가 집적된 소형 진공조 및 양자중력계 구현
. 회절격자 1차 회절 효율 오차 < 5 %, 0차 및 2차 이상 회절 억제 비율 < 2 %
. 형광 수집을 위한 평면 렌즈 개발: 개구수 0.7 이상
. 회절격자/평면렌즈 기판과 접합된 소형 진공조 개발: 진공도 10-8 torr 이하
. 원자 증기압 조절을 위한 이온 도체 기반 알칼리 원자 소스 개발
. 집적된 진공조 내부에 포획된 원자수 107 개 이상, 온도 10 μK 이하
. 전체 물리부 크기 (50×30×50) cm3 이하
- 광회로 기반 단일 측파대 광변조 장치 개발
. 780 nm ~ 850 nm 동작용과 1560 nm 동작용 2종류 개발
. 전기광학 박막(BTO 등) 이용 전기광학 변조기와 모드 억제 필터 결합
. 780 nm ~ 850 nm 파장 대역: 변조 주파수 ∼9.192 GHz,
. 1560 nm 파장 대역: 변조주파수 ∼3.417 GHz.
. +1st sideband efficiency 50% 이상 (carrier: +1st side band = 1:2), 삽입손실 12 dB 이하, -1st, +/- 2nd sideband 억제 비율 25 dB 이상(+1st sideband 대비), 최대 입력 가능 광 출력 23 dBm 이상
. 변조출력: 1st side band 상대세기 및 절대세기 1% rms over 1h 이하
- 광회로 및 광섬유 기반 소형 레이저 시스템 제작
. 광섬유 레이저를 이용하여 알칼리 원자용 레이저 시스템 제작
. 각 레이저 선폭 20 kHz이하, 세기안정도 1% rms over 1 day
. 냉각용 레이저 출력 250 mW 이상, 선폭 20 kHz 이하
. 라만레이저 출력 250 mW 이상, 위상잡음 -110 dBrad2/Hz@10kHz 이하
. 출력 안정화 1% rms over 1 day
. 19 인치 랙 장착 및 시스템 안정성 테스트
- 휴대형 절대 양자중력계 구현 및 중력측정
. 평면광학 소자 물리부. 광회로 기반 라만 레이저, 광섬유 기반 레이저시스템을 적용하여 양자중력계 구현 및 중력측정
연구개발성과
* 이동형 고감도 절대 양자중력계 개발
- 세계 최고 성능의 절대 양자 중력계 센서 기술 확보
- 감도 56 nm/(s2 Hz1/2), 안정도 0.7 nm/s2 @ 1d, 정확도 < 30 nm/s2 이하
- 이동형 레이저시스템 개발
. 냉각용 레이저 출력 > 250 mW, 선폭 < 50 kHz, 주파수안정도 < 5×10-14 @ 1s
. 라만레이저 출력 250 mW 이상, 위상잡음 -120.7 dBrad2/Hz@1kHz
* 휴대형 절대 양자중력계를 위한 핵심 기술 개발
- 세계 최초 회절격자 기반 원자 포획을 활용한 양자중력계
: 감도 4.8 μm/(s2 Hz1/2), 안정도 0.2 μm/s2 @ 1h 달성
: (휴대형 중력계 물리부) : 회절격자 칩을 활용한 진공조의 진공도 <10-10 torr.
: (원자칩) 단일 광원을 이용한 원자 포획을 위해 나노공정 기반의 맞춤형 회절격자 공정 플랫폼 개발
(회절격자 1차 회절 효율 오차 < 1.5 %, 0차 억제 비율 < 5 % ) 및 다양한 회절격자 제작을 통한 검증
(원자 포획 1.2×107 개, 6 μK 수준)
: (평면 광소자) 휴대형 물리부의 형광 수집을 위한 fresnel 평면렌즈 설계 및 제작 (NA=0.25, F=50mm)
: (메타표면 광소자) 초박형 평면광학 소자 구현을 위한 비정질 실리콘 기반의 나노 공정 기반 메타원자 설계 및 공정 기술 개발 (렌즈 직경 2mm, 메타 원자 크기 120 ~ 200nm)
: (다기능 광학체) 원자포획 및 간섭계 적용을 위한 메타표면 공정, Bragg 디층막, 가변 광학계 등의 기 초기술 확보
- 반도체 공정을 통해 초소형 진공조를 제작 기초 기술 확보
: (고집적 진공조) 원자칩 집적을 위한 소형 진공조와 양극접합 공정 기술 개발 (진공도 10-7 Torr 수준)
: (초소형 진공조) MEMS 공정 기반으로 Glass shim 기반의 대형 MEMS 증기셀 공정 개발
: (알칼리 금속 제어) 이온도체 기반으로 진공조의 알칼리 금속 제어를 위한 기초 기술 확보
- 광회로기반 광학소자의 원자간섭계 적용을 통한 양자센서의 집적화 기초 기술 확보
- 광회로 기반 단일측파대 전기광변조기 개발
: 전기광변조기 주입손실율 11.9 dB, 1st 측파대 억제비율 25.6 dB
- 광섬유 기반의 이동형 소형 중력계용 레이저 시스템 기술 확보
: 광섬유 기반 소형 레이저 시스템 개발 ( 780 nm 출력, > 1 W, 780 선폭 < 1.5 kHz, 위상잡음 < -116 dBrad2/Hz@10 kHz, 레이저 세기 안정도 < 0.16 % rms over 1 day
: 레이저 광학계 크기: 19 인치 2 유닛
□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
* 국가 안전망을 위한 고감도 양자중력계 센서로 활용
- 중력분포 및 변화 측정을 통한 지하 구조, 지층변화 등을 감지
- 지진파 감지를 통한, 지진 진원지, 지진 발생시점 등 정밀 측정
- 지하수 분포, 변화 등의 지구 내부 중력 구조 측정을 통한 지질 안전 측정
* 중력분포 측정을 통한 자원 탐사에 활용
- 고감도, 고신뢰도, 재현 가능한 중력 측정으로 지구 내부 분포 측정을 통한 자원 탐사
* 중력 내비게이션
- GPS 사용이 불가한 해저지역의 중력지도 작성
- 양자중력계을 이용한 중력 해저 항법(내비게이션)
* 국가 중력 표준기로 활용
- 국가 중력 표준기로 사용하여 국가 중력기준점 측정 및 소급성 제공
- 지구 지오이드 측정에 활용
- 중력상수 측정, 미세구조상수 측정, 중력파 검증 등의 기초과학 및 정밀 측정과학에 활용
* 고감도, 고신뢰도 양자중력계 센서 기술 활용
- 휴대형 절대 양자중력계 개발에 필요한 핵심기술
- 원자 자이로, 원자 가속도계 등 관성 항법 양자 센서 기술에 활용
(출처 : 요약문 4p)
목차 Contents
- 표지 ... 1
- 최종보고서 ... 2
- 요 약 문 ... 4
- 목차 ... 7
- 1. 연구개발과제의 개요 ... 8
- 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 13
- 1) 이동형 양자중력계 기술 ... 13
- 2) 휴대형 양자중력계 기술 ... 47
- 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 128
- 1) 연구수행 결과 ... 128
- 2) 목표 달성 수준 ... 174
- 4. 목표 미달 또는 미흡한 사항에 대한 원인분석 ... 176
- 1) 목표 미달 또는 미흡한 연구결과에 대한 원인(사유) 자체분석 내용 ... 176
- 2) 미달 또는 미흡한 결과물에 대한 보완 활동 ... 177
- 3) 연구개발 과정의 성실성 ... 178
- 5. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 178
- 6. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 180
- 1) 향후 5년간 성과활용·확산 활용방안 및 계획(활동계획) ... 180
- 7. 연구개발성과에 대한 후속연구 및 추가 개발 계획 ... 181
- 8. 연구개발비 사용실적 ... 182
- 1) 연구개발비 사용명세서 ... 182
- 2) 발생이자 사용명세서 ... 187
- 3) 반납액 명세서 ... 188
- 끝페이지 ... 206
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.