▲ 전류 펄스를 이용한 빛 펄스 비행시간(time-of-flight, TOF) 측정 기술의 개념도

KAIST 기계공학과 김정원 교수 연구팀이 펄스 레이저 및 전광 샘플링 기법을 이용해 거리 측정에 활용할 초고속, 초정밀 ‘펄스비행시간(TOF)’ 센서 기술을 개발했다고 12일 밝혔다.

이번에 개발한 기술은 수소 원자 2개의 크기보다도 작은 180 피코미터(55억분의 1미터) 정도의 위치 차이도 200분의 1초 만에 정확하게 측정이 가능하다. KAIST는 이 기술이 기존 고성능 거리 측정 기술을 뛰어넘는 새로운 원천 기술이 될 것으로 기대하고 있다.

기존 고성능 거리 측정 기술은 크게 두 가지로 나뉜다. 기존 펄스비행시간 기술은 미터 이상의 긴 측정 거리를 갖지만 분해능(정밀도)이 낮고, 간섭계 기술은 나노미터 수준의 분해능을 갖추고 있지만 측정 범위가 좁다는 문제가 있다. 무엇보다 이 둘은 모두 측정 속도가 느리다.

연구팀은 이러한 한계들을 극복하기 위해 기존과는 전혀 다른 방식의 펄스비행시간 센서를 제안했다. 연구진은 '전광 샘플링 기법'을 이용해 펄스 레이저에서 발생한 빛 펄스와 광다이오드로 생성한 전류 펄스 사이의 시간 차이를 측정했다.

이때 빛 펄스와 전류 펄스 간의 시간 오차가 100 아토초(1경분의 1초) 정도로 매우 적어져 나노미터 이하의 거리 차이도 빠르고 정확한 측정이 가능해진다. 뿐만 아니라 전류 펄스의 길이가 수십 피코초 이상으로 길기 때문에 밀리미터 이상의 범위도 측정 가능해진다. 이로써 새로운 방식의 센서가 기존 기술들이 갖는 낮은 분해능 및 좁은 측정 범위의 한계를 극복했다는 게 KAIST 측의 설명이다.

연구진은 이 새로운 센서 기술을 이용해 '고분해능 3차원 형상 이미징' 기술을 시연했다. 지진파나 화산 활동 측정과 같이 미세한 변형을 측정하는데 활용할 수 있는 '고정밀 변형률 센서'도 구현했다. 초고속 측정에서도 높은 분해능을 갖는다는 장점을 이용해 100MHz(1초에 1억 번의 진동에 해당) 이상의 속도로 변화하는 물체의 위치도 나노미터 분해능으로 실시간 측정 가능함을 선보였다.

연구진은 특히 서로 멀리 떨어져 있는 다수 지점의 펄스비행시간을 동시에 정밀하게 측정할 수 있는 특징을 활용하면 스마트팩토리와 같은 환경에서 하나의 레이저와 광섬유 링크들을 이용해 다지점, 다기능성 복합센서 시스템을 구현할 수 있을 것으로 전망하고 있다.

한편 레이저를 이용한 거리 측정 기술은 현재 보안, 자율주행 , 반도체 공정, 지진 감지, 중력파 검출 등 다양한 분야의 핵심 기술로 활용되고 있다. 거리 측정의 분해능, 속도 및 범위 성능이 개선되면 기존 응용기술들의 성능 개선 및 불가능했던 새로운 물리 현상들의 측정도 가능하게 할 것으로 기대된다.