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테라헤르츠파

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목차

1. 개요

테라헤르츠파는 0.1~10 THz (테라헤르츠) 주파수 대역의 전자기파로, 흑체 복사, 자연적 또는 인공적으로 발생할 수 있다. 이 파는 X선보다 안전하고 섬유와 플라스틱을 투과하는 특성을 가지고 있어 의료 영상, 보안 검색, 비파괴 검사, 통신 등 다양한 분야에 활용된다. 테라헤르츠 갭이라고 불리는 이 대역은 실용적인 발생 및 감지 기술의 부족으로 인해 기술적 한계가 존재했으나, 최근 기술 발전을 통해 연구 및 응용 분야가 확대되고 있다.

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테라헤르츠파
개요
전자기 스펙트럼에서 테라헤르츠파의 위치
테라헤르츠파는 전자기 스펙트럼에서 마이크로파와 적외선 사이에 위치한다.
정의
주파수 범위0.3 THz ~ 3 THz
파장 범위1 mm ~ 100 μm
명칭
영어terahertz waves, terahertz radiation, T-rays
일본어テラヘルツ波
기타 명칭T-빛(T-light)
특징
파장마이크로파와 적외선 사이의 파장
에너지광자 에너지가 낮음
투과성일부 물질을 투과 가능 (예: 옷, 종이, 플라스틱)
흡수성물에 잘 흡수됨
안전성이온화 방사선이 아님
활용 분야
이미징보안 검색
의료 진단
품질 관리
분광학물질 식별
화학 반응 연구
생체 분자 연구
통신고속 무선 통신
위성 통신
기타천문학
예술품 감정
기술
발생 기술광전도 안테나
비선형 광학 결정
양자 캐스케이드 레이저
검출 기술볼로미터
고레이 골레이 셀
전기 광학 샘플링
안전
인체 영향이온화 방사선이 아니므로 안전하다고 여겨짐
높은 강도의 테라헤르츠파에 장시간 노출될 경우 열적 효과 발생 가능성 존재
안전 기준국제적인 안전 기준은 아직 확립되지 않음
연구 및 개발 단계에서 안전 고려 필요
추가 정보
연구 동향테라헤르츠파 발생 및 검출 효율 향상
테라헤르츠파 이미징 및 분광 기술 개발
테라헤르츠파 통신 시스템 개발
관련 학문전기 공학
물리학
화학
생물학

2. 발생

테라헤르츠파는 자연적으로 발생하기도 하고, 인공적인 방법을 통해 만들어낼 수도 있다.[115] 자연적으로는 약 2 켈빈 이상의 온도를 가진 모든 물체에서 흑체 복사의 일부로 방출된다.[10] 이러한 자연 발생 테라헤르츠파는 매우 약하지만, 천문학 분야에서 성간매질의 차가운 먼지를 연구하는 데 중요한 역할을 한다. 인공적으로는 자이로트론, 레이저, 반도체 소자 등 다양한 기술을 이용하여 테라헤르츠파를 발생시키려는 연구와 개발이 활발히 진행되고 있다.

2. 1. 자연 발생

테라헤르츠파는 자연적으로 발생할 수 있다. 약 2,000보다 높은 온도를 가진 모든 물체는 흑체 복사의 일부로 테라헤르츠파를 방출한다. 이러한 열적 방출은 매우 약하지만, 이 주파수 대역에서의 관측은 우리 은하수나 멀리 떨어진 별 생성 은하의 성간 구름에 있는 차가운 10,000~20,000 정도의 우주 먼지를 식별하고 연구하는 데 중요하다.

이 대역에서 작동하는 주요 망원경으로는 하와이 마우나 케아 천문대의 제임스 클레르크 맥스웰 망원경, 캘텍 서브밀리미터 천문대 및 서브밀리미터 배열, BLAST 기구 망원경, 헤르셸 우주 관측소, 애리조나 마운트 그래햄 국제 천문대의 하인리히 헤르츠 서브밀리미터 망원경, 그리고 아타카마 대형 밀리미터/서브밀리미터 전파망원경(ALMA) 등이 있다. 지구 대기는 테라헤르츠파를 흡수하기 때문에, 이러한 관측소들은 대부분 매우 높은 고도의 지역이나 우주 공간에 설치된다.[13][14]

2. 2. 인공 발생

Resolution Enhancement


테라헤르츠파는 인공적으로 만들어낼 수 있다. 결맞는 테라헤르츠파를 생성하고 감지하는 것은 기술적으로 여전히 어려운 과제이지만, 다양한 방법으로 테라헤르츠파를 발생시키려는 연구가 진행되고 있다.

테라헤르츠파를 발생시키는 주요 기술과 장치는 다음과 같다.

테라헤르츠파 인공 발생원
구분발생원 종류비고
진공관 기반 | 자이로트론고출력 발생 가능[35]
후진파발진관 (BWO)저렴한 상업용 소스 존재 (0.3~1.0 THz)
마그네트론마이크로파 발생 장치를 변형[34]
싱크로트론 방사 발생지대형 시설 필요[36]
자유 전자 레이저 발생지파장 가변성, 대형 시설 필요[37]
진공 채널 트랜지스터개발 중인 기술, 초고속 동작 기대[97]
레이저 기반 | 원적외선 레이저 (FIR 레이저)분자 가스 이용
양자 폭포 레이저 (QCL)반도체 기반, 소형화 가능[116][117][118][119][16][17][18][19], 실온 작동 연구[23][93]
광혼합 발생지두 개의 레이저 광을 혼합
테라헤르츠 시간 영역 분광법 (THz-TDS) 단일 사이클 발생지광전도 안테나, 광학 정류 등 이용[20]
유기 비선형 광학 결정 (예: DAST)레이저 여기 방식, 광대역 파장 가변 가능[105][99][100][91][107][108][109]
비선형 혼합양자 폭포 레이저의 두 모드 이용[23]
반도체/고체 소자 기반 | 쇼트키 다이오드 배가기[15]밀리미터파 기술 응용
배리스터 (가변 용량 다이오드) 배가기주파수 체배 방식
공명 터널 다이오드 (RTD)최대 1.98 THz 발진[21], 투과 이미징 성공[95][98]
터널 다이오드마이크로파 검출기 변형[38]
탄넷 다이오드 / 건 다이오드고체 소스
HBT / HEMT고주파 트랜지스터
질화 갈륨 (GaN) 반도체 소자실온 발진 가능[104]
그래핀 안테나나노 구조 이용, 개발 중[25][26]
초전도 기반 | 조셉슨 접합 소자고온 초전도 결정 이용 연구[22][106], 휴대용 장치 개발 가능성
기타 초전도 소자과거 사용, 극저온 냉각 필요[101][102]
접착 테이프 마찰대전[24]마찰대전 효과 및 방전 현상 이용 (비편광)



현재 0.3~1.0 THz 범위에서는 자이로트론, 후진파 발진관, 공명 터널 다이오드를 포함한 저렴한 상업용 소스가 존재한다. 파리의 AB 밀리미터와 같은 회사는 고체 소스와 검출기를 사용하여 8 GHz에서 1,000 GHz까지 전체 범위를 커버하는 시스템을 생산하기도 한다.

테라헤르츠파 발생 기술은 지속적으로 발전하고 있다.


  • 휴대용 장치 개발: 2007년 미국 에너지부의 아르곤 국립 연구소 과학자들은 쓰쿠바 대학에서 성장시킨 고온 초전도 결정을 이용하여 휴대용 배터리 구동 테라헤르츠파 방사원 개발 가능성을 열었다. 이 장치는 조셉슨 효과를 이용하여 테라헤르츠 주파수를 발생시킨다.[22][106]
  • 실온 작동 연구: 초기 테라헤르츠파 발생 장치는 작동 시 극저온 냉각이 필요하여 응용에 제약이 많았다. 이러한 문제를 해결하기 위해 2008년 하버드 대학교에서 양자 폭포 레이저의 비선형 혼합을 이용한 실온 발생 연구[23][93]가 이루어졌고, 이후 질화 갈륨(GaN)[104]이나 유기 비선형 광학 결정(DAST)[105] 등 실온에서 작동 가능한 소자 개발이 진행되고 있다. 또한, 광기계 메타 장치 등을 이용하여 작동 온도를 개선하려는 연구도 활발하다.[11][12]
  • 새로운 발생 메커니즘 발견: 2009년에는 접착 테이프를 떼어낼 때 마찰대전 효과와 후속 방전에 의해 비편광 테라헤르츠파가 발생한다는 사실이 밝혀졌다.[24]
  • 나노 기술 접목: 2013년 조지아 공과대학교와 카탈루냐 폴리텍 대학교 연구팀은 나노미터 크기의 그래핀 스트립을 이용한 그래핀 안테나 개발 방법을 발표했다. 이는 테라헤르츠 주파수 대역에서 전파를 방출하는 데 사용될 수 있다.[25][26]
  • 반도체 기술 발전: 2013년 파이오니아와 로옴 연구 그룹은 공명 터널 다이오드(RTD)를 사용하여 테라헤르츠파 투과 이미징에 성공했다.[95] RTD는 최대 1.98 THz까지 작동하는 것으로 보고되었다.[21]


테라헤르츠파 발생 기술 중 하나인 테라헤르츠 시간 영역 분광법 (THz-TDS)은 펨토초 레이저 펄스를 사용하여 광대역 테라헤르츠 펄스를 발생시키고 검출하는 기술로, 현재 널리 사용되고 있다.[91] 이 기술은 광전도 안테나나 전기 광학 결정(예: ZnTe)을 사용하여 테라헤르츠 전장의 시간 파형을 측정하고, 이를 푸리에 변환하여 위상과 진폭 정보를 동시에 얻을 수 있다. 코히어런트 종 광학 포논을 이용한 테라헤르츠파 발생 소자도 있다.[90]

테라헤르츠 광원은 크게 광대역 테라헤르츠 펄스 광원과 단색 테라헤르츠 광원으로 나눌 수 있다. 단색 테라헤르츠 광원은 단위 주파수당 강도가 강하고 주파수 강도를 직접 측정할 수 있어 측정 결과가 시료 형태에 덜 의존하는 장점이 있다.[91] 유기 비선형 광학 결정인 DAST를 이용한 1~20 THz의 광대역 파장 가변 단색 테라헤르츠 광원 개발이 보고되었다.[91][107][108][109]

3. 연구 및 응용 분야

테라헤르츠파는 전자기 스펙트럼에서 적외선과 마이크로파 사이에 위치하며[10], 이들 파장의 특성을 일부 공유한다. 가시선으로 이동하며 비전리 방사선에 해당한다.[10] 마이크로파처럼 의류, 종이, 판지, 목재, 벽돌, 플라스틱, 세라믹과 같은 다양한 비전도성 물질을 투과할 수 있지만[10], 투과 깊이는 일반적으로 더 얕다. 반면, 안개나 구름은 제한적으로만 투과 가능하며 액체 상태의 물이나 금속은 투과하지 못한다.[10]

이러한 독특한 특성 덕분에 테라헤르츠파는 다양한 분야에서 연구 및 응용 가능성이 탐구되고 있다. 대표적으로 의료 영상 분야에서는 엑스선과 달리 인체에 해롭지 않은 비전리 방사선이라는 장점을 살려 암 진단이나 치과 영상 촬영 등에 활용 가능성이 주목받고 있다.[42][111] 보안 검색 분야에서는 옷이나 가방 등을 투과하여 숨겨진 무기나 금지 약물 등을 탐지하는 데 응용될 수 있다.[112] 또한, 여러 물질을 투과하는 성질을 이용하여 제품 내부 결함을 찾는 비파괴 검사[113][114]나 문화재 연구[53] 등에도 활용된다.

통신 분야에서는 지구 대기 중 수증기에 의한 흡수가 심해 장거리 전송은 어렵지만,[10] 매우 넓은 대역폭을 가지고 있어 6G와 같은 차세대 근거리 무선 통신 기술의 핵심으로 여겨진다.[64] 분광학 분야에서는 테라헤르츠 시간 영역 분광법(THz-TDS)과 같은 기술을 통해 물질의 고유한 특성을 분석하는 데 사용된다.[91] 이 외에도 서브밀리미터 천문학, 입자 가속기 연구[56], 제조 공정 모니터링[73] 등 다양한 과학 및 산업 분야에서 연구가 진행 중이다.

하지만 테라헤르츠파를 효율적으로 발생시키고 검출하는 기술은 여전히 개발 중이며,[80][81][82] 대기 중 감쇠 문제 해결 등 극복해야 할 과제도 남아있다. 그럼에도 불구하고 '마지막 미개척 전자기파'로 불리며 그 잠재력에 대한 기대가 커, 관련 연구와 기술 개발이 활발히 이루어지고 있다.[96][97]

3. 1. 의료 영상

엑스선과 달리 테라헤르츠파는 광자 에너지가 상대적으로 낮아 조직과 DNA에 손상을 입힐 가능성이 적다. 일부 주파수 대역의 테라헤르츠파는 수분 함량이 적은 지방 조직과 같은 조직을 수 밀리미터 정도 투과했다가 반사될 수 있다. 또한, 테라헤르츠파는 특정 조직의 수분 함유량과 밀도 차이를 탐지할 수 있다. 이러한 특성을 이용하면 인체에 손상을 입히거나 고통을 주지 않으면서 상피 암을 효과적으로 발견할 수 있는 영상 시스템 개발이 가능하다.[42] COVID-19 검사의 수요에 대응하여, 테라헤르츠 분광법 및 영상화가 신속한 검사 도구로 제안되기도 했다.[43][44]

테라헤르츠파를 이용한 최초의 영상은 1960년대에 만들어졌지만, 1995년에 테라헤르츠 시간 영역 분광법을 사용하여 생성된 영상이 큰 관심을 받았다.

일부 주파수 대역의 테라헤르츠파는 치아의 3차원 영상 촬영에 사용될 수 있으며, 이는 치과에서 사용하는 전통적인 엑스선 촬영보다 더 정교할 수 있다. 이 외에도 의약품 고유의 스펙트럼을 감지하거나 시각화하는 데 사용될 수 있으며,[110] 종양 감지에도 활용될 수 있다.[111]

3. 2. 보안 검색

테라헤르츠파는 섬유와 플라스틱을 투과할 수 있는 특성이 있어, 감시, 예를 들어 보안 검색에 사용되어 사람의 숨겨진 무기를 원격으로 찾아낼 수 있다. 이는 테라헤르츠 대역에서 많은 물질이 고유한 스펙트럼 '지문'을 가지기 때문이며, 이를 통해 스펙트럼 식별과 이미징을 결합할 가능성을 제공한다.

기술 개발 사례로는 2002년 유럽 우주국(ESA)의 스타 타이거 팀[45]이 러더퍼드 애플턴 연구소에서 사람 손의 첫 수동 테라헤르츠 이미지를 생성한 것을 들 수 있다.[46] 2004년에는 러더퍼드 애플턴 연구소에서 분사된 쓰루비전(ThruVision)이 보안 검색용 소형 THz 카메라를 세계 최초로 시연했으며, 이 프로토타입 시스템은 옷 아래 숨겨진 총기와 폭발물을 성공적으로 촬영했다.[47]

테라헤르츠 시그니처의 수동 감지는 매우 특정 범위의 물질과 물체만을 대상으로 할 수 있어, 다른 감지 방식에서 제기되는 신체적 프라이버시 침해 문제를 피할 수 있다는 장점이 있다.[48][49]

그러나 이러한 기술 도입에는 논란도 따랐다. 2013년 1월, 뉴욕 경찰(NYPD)은 은닉 무기 탐지를 위해 이 기술을 실험할 계획을 발표했다.[50] 이에 대해 프라이버시 운동가 조나단 코벳은 "수천 년 동안 인간은 옷을 사용하여 자신의 정숙성을 보호해 왔으며, 옷 안의 내용물에 대해 사생활에 대한 합리적인 기대를 가져왔다"고 주장하며, 합리적인 의심이나 상당한 이유 없이 해당 기술을 사용하는 것을 금지해달라는 소송을 맨해튼 연방 법원에 제기했다.[51] 결국 2017년 초, NYPD는 연방 정부로부터 받은 관련 센서를 사용할 의사가 없다고 밝혔다.[52]

이 외에도 테라헤르츠파는 화약류나 금지 약물의 고유 스펙트럼을 감지하여 탐지하는 데에도 사용될 수 있다.[112]

3. 3. 비파괴 검사

테라헤르츠파는 금속과 같은 도전성 물질을 제외한 다양한 물질을 투과할 수 있어, 내부 구조를 파괴하지 않고 검사하는 비파괴 검사에 활용될 수 있다.[113][114] 이는 엑스선과 유사하지만, 테라헤르츠파는 광자 에너지가 낮아 조직이나 DNA에 손상을 주지 않는 비전리 방사선이라는 중요한 장점을 가진다. 이러한 특성 때문에 의료 영상, 보안 검색, 제조, 품질 관리, 공정 모니터링 등 다양한 분야에서 응용 가능성이 탐구되고 있다.

테라헤르츠파는 의류, 종이, 판지, 목재, 벽돌, 플라스틱, 세라믹 등 여러 비전도성 물질을 투과하는 특성이 있다.[10] 이를 이용하여 포장된 제품 내부를 검사하거나[72], 미술품의 경우 페인트나 회반죽 층 아래에 숨겨진 벽화 등을 원본 손상 없이 확인할 수 있다.[53] 또한, 산업 현장에서는 도장이나 코팅막의 상태를 평가하는 데에도 사용된다.

테라헤르츠파를 이용한 주요 이미징 기술로는 테라헤르츠 시간 영역 분광법(THz-TDS)과 테라헤르츠 단층 촬영법 등이 있다. THz-TDS 기술을 활용한 최초의 이미징 시스템은 1995년 AT&T 벨 연구소 연구진에 의해 개발되었으며, 포장된 전자 칩의 투과 이미지를 생성하는 데 사용되었다.[72] 이러한 기술들은 테라헤르츠 펄스가 물질을 통과하면서 발생하는 에너지 감쇠나 시간 지연(위상 변화)을 측정하여 내부 구조에 대한 정보를 얻고 이를 이미지로 재구성한다.[73] 감쇠 정도를 이용한 이미지는 엑스선 투과 이미지처럼 내부의 경계면이나 서로 다른 재질 부분을 보여주며[74], 시간 지연 정보를 이용한 이미지는 물체의 두께 차이를 효과적으로 나타낸다.

그러나 테라헤르츠파는 엑스선에 비해 파장이 길기 때문에 생성되는 이미지의 해상도가 상대적으로 낮다는 한계를 지닌다.[9][75] 일반적으로 주사 음향 현미경(SAM)보다는 해상도가 높지만, 엑스선 이미징 시스템보다는 낮다.[76] 또한 액체 상태의 물이나 금속은 투과하지 못하며[10], 공기 중 수증기에 의한 흡수가 심해 전파 거리가 제한된다는 단점도 있다. 이러한 해상도 문제를 개선하기 위해 검출기를 물체 표면에 매우 가깝게 위치시키는 근접장 테라헤르츠 이미징[77][78] 등의 연구가 진행되고 있지만, 검사 대상과의 거리 제약과 같은 기술적 과제가 남아 있다.

3. 4. 통신

테라헤르츠파는 전자기 스펙트럼에서 적외선과 마이크로파 사이에 위치하며[10], 가시선으로 이동하는 특성을 가진다.[10] 그러나 지구 대기, 특히 수증기에 의한 강한 흡수로 인해 공기 중에서의 전파 거리가 수십 미터로 제한되어 장거리 통신에는 어려움이 따른다.[10][91]

이러한 거리 제한에도 불구하고, 테라헤르츠파 대역은 기존 밀리미터파 대역의 10배, SHF 마이크로파 대역의 100배에 달하는 막대한 미할당 대역폭을 가지고 있어 미래의 데이터 전송 및 네트워킹 분야에서 큰 잠재력을 지닌다.[64] 약 10m 거리에서는 고대역폭 무선 네트워크 시스템, 특히 실내 시스템 구축에 활용될 수 있다.[10] 이러한 넓은 대역폭 때문에 테라헤르츠파는 현재의 5G 표준을 이을 차세대 이동통신 기술인 6G의 핵심 후보 기술로 주목받고 있으며, 관련 연구가 활발히 진행 중이다.[64]

대기 중 신호 감쇠 문제를 극복하고 통신 거리를 확장하기 위한 연구도 이루어지고 있다. 지향성 안테나의 이득은 주파수의 제곱에 비례하므로, 고정된 안테나 크기에서는 테라헤르츠파와 같은 고주파수를 사용하는 것이 이론적으로 전력 효율 측면에서 유리할 수 있다(소비 계수 이론).[64] 또한, 작은 크기의 지향성 안테나 여러 개를 위상 배열 안테나로 구성하여 전파를 특정 방향으로 집중시키면 더 먼 거리까지 신호를 전달할 수 있을 것으로 기대된다.[64] 2013년에는 조지아 공과대학교와 카탈루냐 폴리텍 대학교 연구팀이 테라헤르츠 주파수에서 작동하는 그래핀 안테나 개발 방법을 발표하기도 했다.[25][26]

테라헤르츠파 통신 기술 개발은 꾸준히 진행되어 왔다. 2011년, 일본의 로옴(Rohm)과 오사카 대학 연구팀은 테라헤르츠파를 이용하여 1.5 Gbit/s의 속도로 데이터를 전송할 수 있는 칩을 개발했다.[68] 2012년 5월에는 도쿄 공업 대학 연구팀이 공명 터널 다이오드(RTD)를 사용하여 542 GHz 주파수에서 초당 3 기가비트(Gbit/s)의 데이터 전송 속도를 달성하며 새로운 기록을 세웠다.[65][67] 이 연구에서는 해당 기술을 이용한 Wi-Fi 시스템이 약 10m 거리에서 최대 100 Gbit/s의 데이터 전송률을 가능하게 할 잠재력이 있다고 제안했다.[67]

테라헤르츠파는 수증기 흡수가 적은 고고도 환경에서의 통신에 유용할 수 있다. 예를 들어 항공기와 위성 간 또는 위성 간 통신에 활용될 가능성이 있다. 또한, 서브밀리미터파 아마추어 무선 분야에서도 활용되고 있다. 여러 국가에서는 ITU 전파 규정의 RR5.565 조항에 따라 275–3,000 GHz (또는 그 이상) 범위에서 아마추어 무선 실험을 허용하고 있다. 아마추어 무선사들은 이 주파수 대역을 사용하여 양방향 통신 거리 기록에 도전하기도 한다. 예를 들어, 미국에서는 2004년 403 GHz에서 1.42km의 통신 기록이 세워졌고,[69] 호주에서는 2020년 30 THz에서 60m 거리 통신에 성공했다.[70][71]

빛과 전파의 중간 영역에 해당하는 테라헤르츠파는 광학적 특성을 이용한 측정 시스템 구축이 가능하다는 장점도 있다.[91] 향후 진공 채널 트랜지스터와 같은 새로운 소자 기술의 발전은 테라헤르츠파를 이용한 스마트폰이나 IoT 기기에서의 초고속 통신 시대를 열 것으로 기대된다.[97] 관련 시장은 2014년 5470만달러에서 2024년에는 12억달러 규모로 성장할 것으로 전망된다.[96]

3. 5. 분광학



테라헤르츠파 분광법은 화학 및 생화학 분야 연구에 새로운 정보를 제공할 가능성을 지닌다. 특히 최근 개발된 테라헤르츠 시간 영역 분광법(Terahertz Time-Domain Spectroscopy, THz-TDS)과 테라헤르츠 단층 촬영법(THz tomography)은 가시광선 및 근적외선 영역에서 불투명한 샘플을 이미징할 수 있는 기술로 주목받고 있다.

THz-TDS는 펨토초 레이저 펄스를 이용하여 광대역 테라헤르츠 펄스를 발생시키고 검출하는 기술로, 현재 세계적으로 가장 널리 사용되는 테라헤르츠 분광법 중 하나이다.[91] 이 기술은 광전도 안테나나 전기 광학 결정(비선형 광학 결정, 예: ZnTe)을 사용하여 테라헤르츠파를 발생시키고 검출한다. 프로브 펄스광이 조사되는 순간의 테라헤르츠 전장에 비례하는 신호를 시간 순서대로 측정하고, 이 시간 파형을 푸리에 변환하면 테라헤르츠파의 위상과 진폭 정보를 동시에 독립적으로 얻을 수 있다.[90] 또한, 위상이 일치하는 종 진동 분극 중 하나인 코히어런트 종 광학 포논을 이용한 테라헤르츠파 발생 소자도 존재한다.[90]

THz-TDS는 간섭성이 있고 넓은 스펙트럼을 가진 방사선을 생성하기 때문에, 단일 주파수 소스를 사용하는 기존 이미징 방식보다 훨씬 더 많은 정보를 포함하는 이미지를 얻을 수 있다. 또한 시간 영역 신호를 직접 사용하므로 회절로 인한 이미지 왜곡 효과를 줄일 수 있다는 장점도 있다.[9]

그러나 THz-TDS는 샘플이 매우 얇거나 흡수율이 낮을 경우, 샘플에 의한 THz 펄스의 미세한 변화를 레이저 소스 자체의 변동이나 실험 환경의 변화와 구별하기 어렵다는 한계점을 가지고 있다.

이 외에도 서브밀리미터파는 물리학에서 고자기장(약 11 T) 내 물질을 연구하는 데 사용된다. 이는 전자의 스핀 라모르 주파수가 해당 자기장 영역에서 서브밀리미터 대역에 위치하기 때문이다. 국립 고자기장 연구소(NHMFL)와 같은 많은 고자기장 연구소에서 전기자성 공명(EPR) 실험을 수행한다.

3. 6. 기타

테라헤르츠파는 빛과 전파의 중간 영역에 해당하며, 광학 측정계 구축이 가능하다는 특징을 가진다.[71] 약 2 켈빈보다 높은 온도를 가진 모든 물체에서는 흑체 복사의 일부로 테라헤르츠파가 방출된다. 이러한 열적 방출은 매우 약하지만, 서브밀리미터 천문학에서는 우리 은하와 멀리 떨어진 별 생성 은하의 성간 구름에 있는 차가운 10~20 K의 우주 먼지를 연구하는 데 중요하다. 대기 중에서는 주로 수증기에 의한 흡수로 인해 감쇠가 커서 전파 거리가 제한되며,[71] 분자 결정 등은 테라헤르츠 영역에 고유의 진동 주파수가 존재한다.[71]

특이한 발생 사례로, 2009년에는 접착 테이프를 벗기는 과정에서 비편광 테라헤르츠파가 생성된다는 사실이 밝혀졌다. 이때 2 THz에서 좁은 피크와 18 THz에서 더 넓은 피크가 관측되었으며, 생성 메커니즘은 접착 테이프의 마찰대전 효과 및 후속 방전과 관련된 것으로 추정된다. 이는 가스의 유전체 파괴 동안 제동 복사와 흡수 또는 에너지 밀도 집중을 포함하는 것으로 가설화되었다.[24]

아마추어 무선 분야에서는 여러 국가의 행정 기관이 ITU 전파 규정의 RR5.565 조항에 기반하여 275–3,000 GHz 범위 또는 그 이상의 주파수에서 실험을 허용하고 있다. 서브밀리미터파 주파수를 사용하는 아마추어 무선 운영자들은 종종 양방향 통신 거리 기록 경신을 시도한다.

테라헤르츠파 아마추어 무선 통신 기록 예시
날짜주파수방식거리기록자국가
2004년 12월 21일403 GHzCW (모스 부호)1.42kmWA1ZMS, W4WWQ미국
2020년 11월 8일30 THz-60mVK3CV, VK3LN호주 [69][70]



전자기파 스펙트럼에서 마지막 미개척 영역으로 여겨지는 테라헤르츠파 관련 시장은 2014년 5470만달러에서 2024년에는 12억달러 규모로 성장할 것으로 전망된다.[96] 최근 성장하는 시장을 겨냥하여 각국에서 벤처 기업의 참여가 잇따르고 있다. 테라헤르츠파는 도장 및 코팅막 평가와 같은 비파괴 검사 분야에서도 활용될 수 있으며,[113][114] 진공 채널 트랜지스터가 미세화를 통해 저전압 동작이 가능해지면, 초고속 증폭 및 스위칭 소자로서 테라헤르츠파를 스마트폰이나 IoT 등에서의 초고속 통신에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.[97]

4. 테라헤르츠 갭 (Terahertz Gap)

공학 분야에서 '''테라헤르츠 갭'''(Terahertz gap)은 테라헤르츠파(THz) 영역의 특정 주파수 대역을 지칭하는 용어로, 이 대역의 전자기파를 효율적으로 생성하고 감지하는 실용적인 기술이 아직 부족한 상태를 의미한다. 일반적으로 이 갭은 0.1 ~ 10 THz (파장으로는 3 mm ~ 30 μm) 범위로 정의되지만, 상한 경계는 연구자에 따라 다소 유동적이어서 일부에서는 30 THz (파장 10 μm)까지 포함하기도 한다.[27] 현재 이 주파수 범위에서 충분한 출력을 내는 신호 발생 장치나 민감한 수신기를 만드는 기술은 비효율적이거나 실용성이 떨어진다.

이러한 기술적 어려움의 주요 원인 중 하나는 테라헤르츠파 영역의 장치를 대량 생산하기 어렵고, 특히 실온에서 안정적으로 작동시키기 어렵다는 점이다. 실온에서의 열에너지(''kT'')는 약 6.2 THz 주파수를 가진 광자의 에너지와 비슷하여 신호 감지에 노이즈 문제를 일으킬 수 있다. 이로 인해 무선 주파수 스펙트럼의 가장 높은 주파수 영역에서 발전한 마이크로파 기술과, 가장 낮은 주파수 영역에서 발달한 적외선 감지기 및 광학 공학 기술 사이에 기술적인 공백이 발생하게 되었다. 결과적으로 테라헤르츠파는 주로 서브밀리미터 천문학과 같은 일부 특수한 연구 분야에서 제한적으로 활용되어 왔다. 이러한 기술적 한계를 극복하기 위한 연구는 20세기 후반부터 꾸준히 진행되어 왔다.[28][29][30][31][32] 2024년에는 독일 연구진이 비냉각 파이로전기 수신기를 사용하여 4.75 THz에서 "적외선 품질"의 TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy) 실험을 수행했다고 발표하기도 했다. 이 실험에 사용된 테라헤르츠파 소스는 43.3 K에서 작동하는 연속파 DFB-QC 레이저였다.[33]

이론적으로 마이크로파 생성에 사용되는 마그네트론,[34] 자이로트론,[35] 싱크로트론,[36] 자유 전자 레이저[37] 등 여러 진공 전자 장치들은 테라헤르츠 주파수에서도 작동하도록 변형될 수 있다. 마찬가지로 터널 다이오드[38]와 같은 마이크로파 검출기도 테라헤르츠[38] 및 적외선[39] 주파수 감지가 가능하도록 재설계되었다. 하지만 이러한 장치들 중 상당수는 아직 실험실 수준의 프로토타입이거나, 크기가 크고, 대량 생산을 통한 비용 절감 효과를 보지 못하고 있다.

현재 진행 중인 연구는 개선된 방출기(소스)와 검출기 개발에 초점을 맞추고 있으며, 이 분야의 연구는 더욱 활발해지고 있다. 그럼에도 불구하고 여전히 방출기의 큰 크기, 제한적인 주파수 범위 호환성, 낮은 작동 온도 요구, 그리고 고체 전자 공학과 광자 기술 사이의 어중간한 기술적 요구 사항 등의 단점들이 해결해야 할 과제로 남아 있다.[80][81][82] 자유 전자 레이저는 마이크로파부터 X선까지 넓은 범위의 전자기파 유도 방출을 생성할 수 있지만, 규모가 크고 비용이 많이 들어 무선 통신과 같이 실시간성이 중요한 응용 분야에는 적합하지 않다. 활발히 연구되는 다른 테라헤르츠파 소스로는 고체 발진기(주파수 배가 방식), 역행파 발진기, 양자 폭포 레이저, 자이로트론 등이 있다.

5. 안전성

테라헤르츠파는 전자기 스펙트럼에서 적외선과 마이크로파 사이에 위치하며 비전이성 방사선에 속한다.[115]

테라헤르츠 영역의 안전성에 대해서는 IEEE C95.1–2005 RF 안전 표준[83]과 ANSI Z136.1–2007 레이저 안전 표준[84]에서 제한을 두고 있지만, 두 표준 모두 외삽(extrapolation)에 기반하고 있다. 테라헤르츠파가 생물학적 조직에 미치는 영향은 주로 열적 특성을 가질 것으로 예상되며, 기존의 열 모델로 예측 가능할 것으로 보인다. 현재 이 스펙트럼 영역의 안전 제한을 검증하기 위한 데이터를 수집하는 연구가 진행 중이다.

2010년 미국 뉴멕시코주의 로스앨러모스 국립 연구소(Los Alamos National Laboratory) 소속 알렉산드로프(Alexandrov) 연구팀은 테라헤르츠 방사선이 이중 가닥 DNA와 상호작용하는 방식을 예측하는 수학적 모델을 발표했다.[85] 이 연구는 테라헤르츠파가 비선형 공명을 통해 이중 가닥 DNA를 풀고, 소위 '거품(bubble)'을 만들어 유전자 발현이나 DNA 복제 같은 과정에 상당한 간섭을 일으킬 수 있다고 주장했다. 해당 내용은 MIT 테크놀로지 리뷰에도 소개되었다.[85] 그러나 이 시뮬레이션 결과에 대한 실험적 검증은 아직 이루어지지 않았다. 또한, 같은 해 스완슨(Swanson)은 알렉산드로프의 연구에 대한 이론적 검토를 통해, 합리적인 물리적 가정을 적용하거나 온도의 영향을 고려할 경우 DNA 거품이 발생하지 않을 것이라고 결론지었다.[86]

2003년에 발표된 한 문헌 연구는 테라헤르츠파(T선)의 강도가 피부 표면으로부터 500 μm 깊이에서 1% 미만으로 감소한다고 보고했지만, 동시에 "테라헤르츠 주파수에서 인체 조직의 광학적 특성에 대한 정보는 현재 거의 없다"고 지적하며 추가 연구의 필요성을 강조했다.[87]

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