전자펄스 타이밍을 측정하고 안정화하는 기술 개념도
전자펄스 타이밍을 측정하고 안정화하는 기술 개념도

[IT비즈뉴스 김소현 기자] 카이스트(KAIST) 기계공학과 김정원 교수 연구팀이 한국원자력연구원 초고속 방사선 연구실과 공동연구를 통해 극초단 전자펄스의 타이밍을 10펨토초(100조분의 1초) 안정도로 측정-제어하는 기술을 개발했다. 

이 기술을 이용하면 초고속 전자회절(UED) 기법의 분석 능력을 크게 개선할 수 있어 그래핀 등 2차원 소재의 새로운 성질을 규명할 수 있는 핵심기술이 될 것으로 기대된다.

극초단 전자펄스 기반의 회절분석기법(UED)은 전자펄스의 짧은 펄스폭(수십 펨토초)과 광속에 가까운 속도(99.2%)를 활용해 태양광 소자, 차세대 전기·전자소재 개발 등 첨단 산업 분야 연구에 활용되고 있다.

기존 전자펄스의 타이밍 안정화 기술은 전자를 생성하는 고주파 마이크로파 신호와 레이저를 개별적으로 안정화했으나 전자펄스 자체 타이밍을 장시간 안정화하지는 못하는 한계점이 있었다.

KAIST·원자력연구원 공동 연구팀은 테라헤르츠파 스트리킹(Streaking) 기술로 전 펄스 타이밍을 측정-제어하는 시스템을 구현했다. 

이 기술의 선결 조건으로 전자펄스를 발생시키는 데 필요한 레이저와 마이크로파 신호의 정밀한 측정과 제어가 이뤄져야 해 연구팀은 우선 레이저와 마이크로파 간의 정밀 동기화 시스템, 광 펄스 모니터링 시스템, 자석 기반 전자펄스 압축 시스템 등 다양한 레이저-마이크로파-전자빔 안정화 장치를 구현하고 최적화했다. 

최종 측정한 전자펄스와 테라헤르츠파 사이의 시간 차는 모터를 활용해 제어하고 보정했다.

연구팀은 그 결과 세계 최초로 전자펄스의 타이밍을 5.5펨토초 수준으로 4,600초 동안 안정화할 수 있었다고 설명했다. 이는 기존 세계 최고 성능보다 4배 이상 향상된 시간 안정도다. 

김정원 교수는 “지속 이루어지고 있는 전자펄스의 타이밍 안정도 개선과 초고속 전자카메라의 성능 향상이 다양한 태양광 소재 개발, 전자구름 관측 등 차세대 기초·산업연구 수요를 맞출 수 있을 것으로 기대한다ˮ고 소감을 밝혔다.

한국원자력연구원 주요사업과 한국연구재단 중견연구지원사업의 지원을 받아 수행된 이번 연구결과는 국제학술지 ‘레이저 앤드 포토닉스 리뷰즈(Laser & Photonics Reviews; IF=10.655)’의 지난달 표지논문으로 게재됐다.

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