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레이저 빛으로 블랙홀을 더 선명하게 본다
전파망원경은 우주에서 오는 미세한 전파 신호를 포착해 이를 천체 이미지로 바꾸는 장비다. 아주 먼 블랙홀을 선명하게 관측하려면 여러 대의 전파망원경이 하나처럼 정확히 같은 시각에 우주 신호를 포착해야 한다. 우리 대학 연구진은 레이저 빛을 이용해 이들의 관측 시점과 위상을 정밀하게 맞추는 새로운 기준 신호 기술을 개발했다.
우리 대학은 기계공학과 김정원 교수 연구팀이 한국천문연구원(KASI, 원장 박장현), 한국표준과학연구원(KRISS, 원장 이호성), 독일 막스플랑크 전파천문연구소(MPIfR)와 공동으로, 광주파수빗(optical frequency comb) 레이저를 전파망원경 수신기에 직접 적용하는 기술을 세계 최초로 구현했다고 15일 밝혔다.
일반적인 레이저는 한 가지 색(주파수)만 내지만, 광주파수빗 레이저는 수만 개 이상의 매우 정확한 색들이 일정한 간격으로 줄지어 배열돼 있다. 이 모습이 마치 빗처럼 보여 ‘주파수 빗(frequency comb)’이라는 이름이 붙었다. 광주파수빗 레이저는 각 빗살 하나하나의 주파수를 정확히 알 수 있고 그 간격 또한 원자시계 수준으로 정밀하게 맞출 수 있어 과학자들 사이에서는 ‘빛으로 만든 초정밀 자’로 불린다.
여러 전파망원경이 동시에 관측하는 초장기선 전파간섭계(VLBI) 기술의 핵심은 각 망원경이 수신한 전파 신호를 마치 하나의 정밀한 자에 맞춰 정렬하듯 위상(phase)을 일치시키는 것이다. 하지만 기존 전자식 기준 신호 방식은 관측 주파수가 높아질수록 기준이 되는 신호 자체가 미세하게 흔들려, 이를 바탕으로 한 정밀한 위상 보정을 수행하는 데 한계가 있었다.
이에 KAIST 연구진은 ‘기준 신호의 생성 단계부터 빛(레이저)을 활용해 위상 정렬의 근본적인 정밀도를 높이자’는 발상으로, 광주파수빗 레이저를 전파망원경 내부로 직접 전달하는 방식을 개발했다. 이를 통해 기준 신호 생성과 위상 보정 문제를 하나의 광학 시스템으로 동시에 해결하는 데 성공했다.
기존 방식이 관측 주파수가 올라갈수록 ‘눈금이 미세하게 떨려 위상을 맞추기 어려운 자’와 같았다면, 이번 기술은 ‘극도로 안정적인 빛으로 위상을 고정하는 초정밀 자’로 기준을 세운 것에 비유할 수 있다. 그 결과 멀리 떨어진 전파망원경들이 하나의 거대한 망원경처럼 정교하게 연동될 수 있는 기반을 마련했다.
이 기술은 한국우주전파관측망(KVN) 연세 전파망원경에서 시험 관측을 통해 검증됐다. 연구팀은 전파망원경 간 신호의 안정적인 간섭무늬(fringe)를 검출하는 데 성공했으며, 정밀한 위상 보정이 가능함을 실제 관측으로 입증했다. 최근 이 시스템은 KVN 서울대 평창 전파망원경에도 추가 설치돼, 여러 관측소를 동시에 사용하는 확장 실험으로 이어지고 있다.
연구팀은 이를 통해 블랙홀 이미지를 더욱 선명하게 관측할 수 있을 뿐 아니라, VLBI 관측에서 오랫동안 문제로 지적돼 온 장비 간 위상 지연 오차를 획기적으로 줄일 수 있을 것으로 기대하고 있다.
이번 기술은 천문 관측에만 국한되지 않는다. 연구팀은 향후 이 기술이 ▲ 대륙 간 초정밀 시계 비교 ▲ 우주측지 ▲ 심우주 탐사선 추적 등 정밀한 시공간 측정이 필요한 다양한 첨단 분야로 확장 활용될 수 있을 것으로 보고 있다.
김정원 KAIST 교수는 “이번 연구는 광주파수빗 레이저를 전파망원경에 직접 적용해 기존 전자식 신호 생성 기술의 한계를 뛰어넘은 사례”라며, “차세대 블랙홀 관측의 정밀도를 높이고, 주파수 계측과 시간 표준 분야 발전에 크게 기여할 것”이라고 말했다.
이번 연구에는 KAIST의 현민지 박사(現 한국표준과학연구원)와 안창민 박사가 공동 제1저자로 참여했으며, 연구 성과는 국제 학술지 Light: Science & Applications (IF=23.4) 1월 4일 字에 게재됐다.
※논문명: Optical frequency comb integration in radio telescopes: advancing signal generation and phase calibration, DOI: 10.1038/s41377-025-02056-w
주저자: 현민지 박사(KAIST, 現 KRISS), 안창민 박사(KAIST), 김정원(KAIST)
이번 연구는 국가과학기술연구회(NST) 창의융합연구사업, 한국연구재단(NRF) 및 정보통신기획평가원(IITP)의 지원을 받아 수행됐다.
2026.01.15 조회수 2871 -
실리콘 투과해 3D 반도체 내부 구조를 비파괴로 측정하는 기술 개발
우리 대학 기계공학과(반도체시스템공학과 겸임) 김정원 교수 연구팀이 광주파수빗(optical frequency comb)을 색수차 공초점 및 분광 간섭계 기술과 결합해, 반도체 소자 후면에서 실리콘을 투과하여 내부 구조를 비파괴적으로 측정할 수 있는 새로운 광학 검사 기술을 개발했다.
최형수 박사과정이 제1저자로 참여하고 삼성전자 메모리사업부 계측기술팀과의 산학협력으로 수행된 이번 연구는 국제학술지 Light: Advanced Manufacturing 10월 29일 字에 게재됐다. (논문명: Backside illumination-enabled metrology and inspection inside 3D-ICs using frequency comb-based chromatic confocal and spectral interferometry)
최근 인공지능(AI)과 클라우드 컴퓨팅의 급성장으로 고성능·고효율 반도체 수요가 폭발적으로 증가하면서, 여러 칩을 수직으로 적층하는 3D 반도체 패키징(3D-IC) 기술이 차세대 반도체의 핵심으로 주목받고 있다. 그러나 전면(front-side)에 복잡한 미세 패턴이 형성된 구조에서는 빛이 산란되어 신호 대 잡음비가 낮아지고, 구리가 채워진 실리콘 관통 비아(Through-Silicon Via, TSV) 와 같은 고종횡비(high aspect ratio) 구조를 정밀하게 계측하기 어려웠다.
이러한 한계를 극복하기 위해 연구팀은 실리콘을 투과할 수 있는 1560 nm 파장의 적외선 광주파수빗을 이용해 후면(backside)에서 조사하는 방식의 비파괴 광학 계측 기술을 새롭게 구현했다.
연구팀은 70 nm 대역폭의 적외선 광주파수빗을 광원으로 사용하여, 축 방향 스캐닝 없이 웨이퍼의 두께와 굴절률을 동시에 고속·고정밀로 측정하는 기술을 구현했다. 특히 기존의 전면 검사 방식으로는 불가능했던 상용 메모리 소자 내부의 구리(Cu)가 충전된 TSV의 깊이 계측을 세계 최초로 비파괴 방식으로 성공적으로 수행했다.
이번 연구는 실리콘 기판의 두께와 굴절률을 동시에 측정할 수 있는 독자적 기술적 강점을 바탕으로, 고대역폭 메모리(HBM)와 같은 첨단 3D 반도체 패키징 공정의 양산 수율 향상과 공정 신뢰도 확보에 크게 기여할 것으로 기대된다.
김정원 교수는 “이번 연구는 첨단 반도체 공정의 검사 속도와 신뢰성을 동시에 향상시킬 수 있는 새로운 방향을 제시했다”며 “차세대 반도체 생산 라인에 즉시 적용 가능한 수준의 기술 성숙도를 입증했다"고 밝혔다.
이번 연구는 삼성전자와 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.
2025.10.31 조회수 3249 -
뇌처럼 스스로 기억하고 반응하는 반도체 뉴런 개발
사람의 뇌는 단순히 신호를 주고받는 연결(시냅스)만 조절하는 게 아니라, 개별 신경세포가 ‘상황에 맞게 스스로 예민해지거나 둔해지는’ 적응 능력인 ‘내재적 가소성’을 통해 정보를 처리한다. 하지만 기존 인공지능 반도체는 이런 뇌의 유연함을 흉내 내기 어려웠다. KAIST 연구진이 이번에 이 능력까지 구현한 차세대 초저전력 반도체 기술을 개발해 관심을 모으고 있다.
KAIST(총장 이광형)는 신소재공학과 김경민 교수 연구팀이 뉴런이 과거 활동을 기억해 스스로 반응 특성을 조절하는 ‘내재적 가소성(intrinsic plasticity)’을 모방한 ‘주파수 스위칭(Frequency Switching) 뉴리스터(Neuristor)’를 개발했다고 28일 밝혔다.
‘내재적 가소성’은 같은 소리를 여러 번 들으면 점점 덜 놀라거나, 반복된 훈련을 통해 특정 자극에 더 빨리 반응하게 되는 것과 같은 뇌의 적응 능력을 뜻한다. ‘주파수 스위칭 뉴리스터’는 마치 사람이 자극에 점점 익숙해져 덜 놀라거나, 반대로 반복된 훈련으로 점점 더 민감해지는 것처럼, 신호의 빈도를 스스로 조절하는 인공 뉴런 소자다.
연구팀은 순간적으로 반응했다가 원래 상태로 돌아가는 ‘휘발성 모트 멤리스터’와, 입력 신호의 흔적을 오랫동안 기억하는 ‘비휘발성 멤리스터’를 결합해, 뉴런이 신호를 얼마나 자주 내보낼지(발화 주파수)를 자유롭게 조절할 수 있는 소자를 구현했다.
이 소자는 뉴런 스파이크 신호와 멤리스터 저항 변화가 서로 영향을 주고받으며 자동으로 반응을 조절한다. 쉽게 말해, 반복해서 들은 소리에 덜 놀라거나, 특정 자극에 점점 더 예민해지는 뇌의 반응을 반도체 소자 하나로 흉내 낸 것이다.
연구팀은 이 기술의 효과를 검증하기 위해 ‘희소 신경망(Sparse Neural Network)’ 시뮬레이션을 수행했다. 그 결과, 뉴런 자체의 기억 기능을 통해 기존 신경망보다 27.7% 낮은 에너지 소모로 동일한 성능을 구현했다.
또 일부 뉴런이 손상되더라도 내재적 가소성을 통해 네트워크가 스스로 재구성되어 성능을 회복하는 뛰어난 복원력도 입증했다. 쉽게 말하면, 이 기술을 적용한 인공지능은 전기를 덜 쓰면서도 성능은 그대로 유지하고, 일부 회로가 고장 나도 스스로 보완해 다시 정상적으로 작동하는 셈이다.
연구를 주도한 김경민 교수는 “이번 연구는 뇌의 핵심 기능인 내재적 가소성을 단일 반도체 소자로 구현해 인공지능 하드웨어의 에너지 효율과 안정성을 한 차원 높인 성과”라며, “스스로 상태를 기억하고 손상에도 적응·복구할 수 있는 이번 기술은 엣지 컴퓨팅, 자율주행 등 장시간 안정성이 요구되는 시스템의 핵심 소자로 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구는 신소재공학과 박우준 박사(현 독일 율리히 연구소), 송한찬(현 ETRI) 박사가 공동 제1저자로 참여했으며, 연구 결과는 재료 분야 세계적 권위 학술지 어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials, IF 26.8)에 8월 18일자 온라인 게재됐다.
※논문명: Frequency Switching Neuristor for Realizing Intrinsic Plasticity and Enabling Robust Neuromorphic Computing, DOI: 10.1002/adma.202502255
한편, 이번 연구는 한국연구재단과 삼성전자의 지원을 받아 수행됐다.
2025.09.29 조회수 3785 -
김정원 교수, IEEE Photonics Society Distinguished Lecturer 선정
기계공학과 김정원 교수가 지난 11월 16일 IEEE Photonics Society의 2024년도 Distinguished Lecturer로 선정되었다.
IEEE Photonics Society는 매년 광학 및 광공학 분야에서 세계적인 연구 성과를 보이고 있는 연구자 5명 내외를 Distinguished Lecturer로 선정하여, 전세계를 순회하며 대학 및 연구기관들에서 초청강연을 하도록 후원하고 있다.
김정원 교수는 초저잡음, 초안정 광주파수빗(optical frequency comb) 광원을 개발하고 이를 이용한 새로운 타이밍 응용 분야들을 개척하고 있으며, 연구의 독창성과 우수성을 인정받아 Distinguished Lecturer로 선정되었다.
김 교수는 “It’s the perfect timing for optical frequency combs”이라는 주제의 강연을 통하여 초저잡음, 초안정 광주파수빗 광원들의 원리와 이를 이용하여 김 교수팀이 최근 선보인 반도체 칩에서의 클럭 분배, 펄스비행시간(TOF) 센서를 이용한 3차원 반도체 소자의 형상 이미징, 그리고 블랙홀 관측용 전파망원경에서의 초고주파 신호 생성과 같은 새로운 레이저 타이밍 응용 분야들을 소개할 예정이다.
2023.11.30 조회수 8312 -
천 조분의 1초 까지 정확한 반도체칩용 클럭 개발
최근 반도체 칩의 성능이 급격하게 향상됨에 따라, 보다 정확한 타이밍으로 칩 내의 다양한 회로 블록들의 동작을 동기화(synchronization)시키는 클럭(clock) 신호를 공급하는 기술이 중요해지고 있다.
우리 대학 기계공학과 김정원 교수 연구팀이 레이저를 이용해 반도체 칩 내에서 초저잡음 클럭 신호를 생성하고 분배할 수 있는 기술을 개발했다고 9일 밝혔다.
기존에는 클럭 신호의 정확성이 통상적으로 피코초(1조 분의 1초) 수준이었으나 이번에 개발된 기술을 이용하면 기존의 방식보다 월등한 펨토초(femtosecond, 10-15초, 천 조 분의 1초) 수준의 정확한 타이밍을 가지는 클럭 신호를 칩 내에서 생성하고 분배할 수 있으며, 클럭 분산 과정에서 발생하는 칩 내에서의 발열 또한 획기적으로 줄일 수 있다.
기계공학과 현민지 박사과정 학생이 제1 저자로 참여하고 고려대학교 세종캠퍼스 정하연 교수팀과의 공동연구로 이루어진 이번 논문은 국제학술지 `네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 4월 24일 字에 게재됐다. (논문명: Femtosecond-precision electronic clock distribution in CMOS chips by injecting frequency comb-extracted photocurrent pulses)
고성능의 반도체 칩 내에서 클럭 신호를 분배하기 위해서는 클럭 분배 네트워크(clock distribution network, CDN)에 많은 수의 클럭 드라이버(clock driver)들을 사용해야 하는데, 이로 인해 발열과 전력 소모가 커질 뿐 아니라 클럭 타이밍도 나빠지게 된다. 칩 내의 클럭 타이밍은 무작위적으로 빠르게 변화하는 지터(jitter)와 칩 내의 서로 다른 지점 간의 클럭 도달 시간 차이에 해당하는 스큐(skew)에 의하여 결정되는데, 클럭 드라이버들의 개수가 늘어남에 따라 지터와 스큐 모두 통상 수 피코초 이상으로 커지게 된다.
연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 펨토초 이하의 지터를 가지는 광주파수빗(optical frequency comb) 레이저를 마스터 클럭으로 하는 새로운 방식의 클럭 분배 네트워크 기술을 선보였다. 이는 광주파수빗 레이저에서 발생하는 광 펄스들을 고속 광다이오드를 이용해 광전류 펄스(photocurrent pulse)로 변환한 후 반도체 칩 내의 금속 구조 형태로 된 클럭 분배 네트워크를 충전 및 방전하는 과정을 통해 구형파 형태의 클럭 신호를 생성하는 방식이다.
특히 이 기술을 사용하면 클럭 분배 네트워크의 클럭 드라이버들을 제거한 금속 구조만을 통해 칩 내에서 클럭을 분배할 수 있어, 타이밍 성능을 개선할 수 있을 뿐 아니라 칩 내 발열도 획기적으로 줄일 수 있다. 그 결과 지터와 스큐를 기존 대비 1/100 수준인 20펨토초 이하로 낮춘 뛰어난 타이밍 성능을 보일 수 있었으며, 칩내 클럭 분산 과정에서의 전력소모 및 발열 역시 기존 방식 대비 1/100 수준으로 낮출 수 있었다.
김정원 교수는 "현재 아날로그-디지털 변환기와 같은 고속 회로에 매우 낮은 지터의 샘플링 클럭 신호를 공급해 성능을 향상하는 연구를 진행 중ˮ이라고 밝히면서 "3차원 적층 칩과 같은 구조에서 발열을 줄일 수 있을 지에 대한 후속 연구도 계획 중ˮ이라고 밝혔다.
한편 이번 연구는 삼성미래기술육성센터의 지원을 받아 수행됐다.
2023.05.09 조회수 14800 -
김정원 교수, 미국 광학회 석학회원으로 선출
우리 대학 기계공학과 김정원 교수가 지난 11월 8일 미국광학회(Optica, 舊 Optical Society of America, OSA)의 석학회원(Fellow)으로 선출됐다.
미국광학회는 1916년 창설돼 현재 180여 개국 22,000명 이상의 회원을 보유한 광학 분야에서 세계 최대 규모와 권위를 가진 학회다.
김 교수는 `초저잡음 광주파수빗 광원들과 이를 활용한 대규모 타이밍 동기화 및 초고속 펄스비행센서'를 포함한 새로운 응용 분야들을 개척한 공로(for pioneering contributions to ultralow-noise optical frequency combs and their applications including large-scale timing synchronization and ultrafast time-of-flight sensors)를 인정받아 석학회원으로 선출됐다.
김 교수는 2009년 9월 우리 대학에 부임한 이래 매우 낮은 잡음을 가지는 광주파수빗 광원들을 연구해왔다. 2011년 100 아토초(1경 분의 1초)보다 작은 타이밍 지터를 가지는 광섬유 레이저를 세계 최초로 개발한 것을 비롯해 다양한 광섬유 및 마이크로공진기 기반 광원들의 잡음 현상을 연구해왔으며, 2016년 미국광학회에서 발간하는 `어드밴시스 인 옵틱스 앤 포토닉스(Advances in Optics and Photonics)' 誌에 게재한 초저잡음 광섬유 광주파수빗에 관한 초청논문은 2020년 웹 오브 사이언스(Web of Science)의 물리(physics) 분야 상위 1% 피인용 논문(Highly Cited Paper)으로 선정되기도 했다. 최근에는 이러한 초저잡음 광원들의 공학 응용에 집중해 초고속 초고분해능 펄스비행시간 센서(Nature Photonics 2020), 광주파수 안정화(Science Advances 2020), 초저잡음 전류펄스 생성(Nature Communications 2020), 초안정 마이크로파 생성(Nature Communications 2022) 등 다양한 연구성과를 내고 있다.
김 교수는 현재 미국광학회에서 발간하는 `옵틱스 레터스(Optics Letters)' 誌의 편집위원, 레이저 분야 최대 학회인 `레이저 및 전자광학 국제학술회의(Conference on Lasers and Electro-Optics, CLEO)'의 광계측 분과 프로그램 위원, 한국광학회 학술이사 등으로도 활동 중이다.
김정원 교수는 "그동안 같이 연구한 뛰어난 대학원생들과 훌륭한 동료 연구자들께 감사드린다ˮ라며 "앞으로도 광학 분야 발전을 위한 연구와 봉사분야에서 더욱 열심히 활동하겠다ˮ라고 소감을 밝혔다.
2022.11.25 조회수 11032 -
정송 교수 연구팀, 아시아대학 최초 ACM MobiSys 2021 Best Paper Award 수상
우리 대학 AI대학원과 전기및전자공학부 소속 정송 교수 연구실의 김세연 박사과정생과 이경한 박사졸업생 (현 서울대 전기정보공학부 부교수)이 지난 주 COVID-19으로 인해 온라인으로 개최된 2021년도 ACM MobiSys 학회(https://www.sigmobile.org/mobisys/2021/)에서 Best Paper Award를 수상했다.
ACM MobiSys는 모바일시스템 분야의 최고 학회로서 올해 총 266편의 논문이 제출되어 36개의 논문이 억셉트되었으며 (논문게재율: 21.6%) 이번 정송 교수 연구팀의 Best Paper Award 수상은 19년의 MobiSys 역사상 첫 아시아권 대학의 수상이다. (제1저자 소속 대학 기준)
- 논문명: zTT: Learning-based DVFS with Zero Thermal Throttling for Mobile Devices
(모바일 기기의 열쓰로틀링 방지를 위한 강화 학습 기반의 동적 주파수 할당 기술)
- 논문 저자: 김세연 (KAIST), 빈경민 (서울대), 하상태 (U. of Colorado at Boulder), 이경한 (서울대), 정송 (KAIST)
- 논문 내용:
동적 전압/주파수 할당 기술(Dynamic Voltage and Frequency Scaling, DVFS)은 운영 체제(OS) 단에서 프로세서 성능을 보장하는 동시에 에너지 소모를 줄이기 위해 동적으로 프로세서의 전압과 주파수를 조절하는 기술이다. 하지만 모바일 기기의 동적 주파수 할당 기술은 두 가지 한계점을 가지고 있다. 첫째, OS 레벨에서 수행되기 때문에 어플리케이션의 성능을 보장하지 못한다. 둘째, 모바일 기기의 특성상 빈번하게 변하는 환경을 반영하지 못하여 과열을 일으켜 열쓰로틀링(Thermal Throttling)을 야기시켜 사용자 경험(QoE)를 크게 감소시킬 수 있다. 특히, 모바일 기기에서 발열 문제는 최신 스마트폰과 같은 고성능 기기의 성능을 크게 떨어뜨리는 고질적인 문제로 알려져 있다. 해당 연구에서는 이러한 기존 기술의 한계를 해결하기 위해 모바일 기기의 과열을 예방하고, 사용자 경험을 보장하는 동시에 에너지 소모를 최소화하기 위해 심층 강화 학습(Deep-Reinforcement Learning) 기반의 동적 주파수 할당 기술을 개발했다. 이는 실시간으로 수집되는 상태 정보를 바탕으로 어플리케이션과 모바일 기기의 동작 환경에 적응하여 안정된 성능을 보장하고, 전력 소모를 크게 줄일 수 있는 기술이다. 연구팀은 해당 연구 기술이 운영 체제나 어플리케이션이 보다 최적화된 성능으로 동작하기 위한 하나의 설정 옵션으로 패키징될 수 있을 것이라고 전망하고 있다.
위 상을 수상한 김세연 박사과정생은 논문에 대해 “5G 스마트폰과 같은 모바일 단말에서 과도한 발열로 인해 발생하는 열쓰로틀링에 따른 급격한 성능 저하 문제를 강화학습 기반의 동적 전압/주파수 스케일링을 통해 획기적으로 해결한 연구”라고 설명했다.
정송 교수는 “사용자 체감 성능을 높이면서 열쓰로틀링으로 인한 급격한 성능 저하를 방지하기 위해서는, 적정한 온도를 유지하기 위한 총전력 소모 범위 내에서 프로세서 컴포넌트 (CPU, GPU 등) 간 최적의 전력 분배를 수행하는 것이 관건이지만, 주변 환경 (주변 온도, 쿨링 상황 등)과 사용자 애플리케이션 특성에 따라 허용 가능한 총 전력 소모 범위와 최적의 전력 분배가 실시간으로 변화하기 때문에 전통적인 제어기법으로는 해결하기 매우 어려운 문제였다”고 부연 설명했다.
연구팀의 이러한 결과는 전력소모 문제로 인공지능 기법의 도입이 어려울 것으로 예상되었던 모바일 플랫폼에서 조차 강화학습 기반의 시스템 제어가 성능 개선에 크게 이바지 할 수 있음을 보임으로써, 차세대 운영체제에 AI/ML 기반 제어 기법들을 적극적으로 도입하기 위한 계기를 마련한 것으로 평가받았다.
2021.07.09 조회수 18384 -
초안정 광대역 광주파수 안정화 기술 개발
기계공학과 김정원 교수 연구팀이 광섬유 광학 기술을 이용한 고성능 주파수 안정화 기술을 개발했다.
이 기술을 이용하면 150테라헤르츠(THz)의 넓은 대역폭에 걸쳐 일정한 간격으로 분포한 60만 개 이상의 광주파수 모드들의 선폭을 동시에 1헤르츠(Hz) 수준으로 낮출 수 있다. 이를 통해 원자시계나 주파수 분광학에 활용할 수 있고, 광주파수를 기반으로 한 양자 센서의 성능도 크게 높일 수 있을 것으로 기대된다.
권도현 박사과정이 1 저자로 참여하고 한국표준과학연구원 시간표준센터와 공동연구로 수행된 이번 연구는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 3월 27일 자에 게재됐다. (논문명: Generation of multiple ultrastable optical frequency combs from an all-fiber photonic platform)
레이저의 선폭과 광주파수의 안정도는 시간/주파수 표준, 양자광학, 분광학 등 기초과학 분야뿐 아니라 거리 측정, 형상 이미징 및 분산형 센서 등 다양한 공학 응용에서의 측정 분해능을 결정한다.
특히 작년 5월 기본단위의 재정의를 통해 7개의 국제 단위계(SI) 중 6개(시간, 길이, 질량, 전류, 온도 및 광도)가 주파수를 기반으로 정의되기 때문에 광주파수의 안정도를 확보하는 것은 초정밀 측정 및 센서 분야에서 매우 중요한 이슈이다.
기존에는 다수의 광주파수를 안정화하기 위해 Q인자가 높은 초안정 공진기에 연속파 레이저를 주파수 잠금한 후 이를 다시 펄스 레이저에 주파수 잠금하는 방식을 사용했다. 하지만 이 방식은 장치의 크기가 클 뿐 아니라 주변 환경에 매우 민감한 수억 원 이상의 고가 장치이기 때문에 소수의 표준 연구소에서만 활용됐다.
연구팀은 부품의 신뢰성과 가격 경쟁력이 확보된 광통신용 광섬유 광학 기술을 이용한 광주파수 안정화 기술을 개발했다. 그 결과 A4 용지 절반보다 작은 면적의 소형 장치를 이용해 펄스 레이저에서 발생하는 60만 개 이상의 광주파수 모드들의 선폭을 1Hz 수준으로 낮출 수 있었다. 또한, 각각의 주파수 모드에서 1천조 분의 1(10-15) 수준의 주파수 안정도를 확보했다.
연구팀의 기술은 다양하게 활용 가능해, 특히 최근 대기 중 유해물질 모니터링 등의 분야에서 활용되고 있는 듀얼콤 분광학을 위한 고성능 광원으로 활용할 수 있다.
연구팀은 하나의 광섬유 링크에 두 펄스 레이저를 동시에 안정화하는 방식을 통해 150THz의 넓은 주파수 대역에 걸쳐 1Hz 수준의 선폭으로 흡수 스펙트럼을 측정할 수 있는 고분해능 듀얼콤 분광학 광원을 선보였다.
불변하는 원자의 특성을 이용해 고정확도 측정이 가능한 양자 센서의 경우도 광주파수 분광학 기반이기 때문에, 광주파수의 선폭과 안정도가 측정의 정확도와 신뢰도에 매우 중요하다.
김 교수는 “이번 연구 결과를 활용하면 소형, 경량, 저가의 장치로 1천조분의 1 수준의 광주파수 안정화가 가능해 다양한 양자 센서를 센서 네트워크 형태로 확장하는 데 기여할 수 있을 것이다”라고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
2020.04.09 조회수 25807 -
김승우, 김영진 교수, 성능 저하 없는 광주파수 초정밀 전송기술 개발
〈 김영진 교수, 양재원, 김병수 박사과정, 김승우 교수 〉
우리 대학 기계공학과 김승우, 김영진 교수 공동연구팀이 펨토초 레이저 광빗*을 대기로 전파하는 도중에 발생하는 왜곡을 실시간으로 제어하고 보정할 수 있는 다채널 광주파수의 초정밀 전송 원천기술을 개발했다. * 펨토초 레이저 광빗: 시간/주파수 표준으로 활용 가능한 광대역 펄스 레이저
연구팀은 이번 기술이 차세대 우주-지상간 광대역 초고속 광통신 구현과 차세대 항법장치 성능 개선에 이바지할 것으로 기대한다고 밝혔다.
강현재 연구원이 1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature communications)’ 9월 30일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명 : Free-space transfer of comb-rooted optical frequencies over an 18 km open-air link).
대기를 전파하는 레이저는 대기의 온도, 압력, 습도 및 바람 등의 영향을 받아 광주파수 및 위상의 안정도가 크게 떨어진다. 특히 대기가 핵심적으로 분포하는 고도 10km 이하의 대류권에서는 이와 같은 현상이 심하게 발생한다.
이러한 혹독한 대기 환경을 겪는 레이저는 고유한 특성을 잃어버려 초기에는 우수한 안정도를 갖는 레이저라도 대기를 통과한 뒤에는 우수성을 잃게 된다.
연구팀은 문제 해결을 위하여 주파수 표준에 안정화된 펨토초 레이저 광빗에서 레이저들을 추출하고 그중 하나의 파장을 이용해 대기 환경변화를 실시간으로 추적했다. 이를 음향 광학 장치를 통해 대기 환경변화를 제어함으로써 레이저의 우수한 특성이 유지될 수 있도록 했다.
연구팀은 1초 측정 시 1/1,000,000,000,000,000(천조분의 일)초의 오차를 갖는 우수한 안정도의 펨토초 레이저 광빗을 대기(18 km)에 전파시키고, 통과하는 중에 발생하는 대기의 영향을 정밀하게 측정하고 제어하는 데 성공했다.
그 결과 레이저의 성능이 대기를 통과하기 전과 후의 큰 차이가 없는, 우수한 안정도로 전송하는 다채널 광주파수 초정밀 대기전송 기술을 개발했다.
연구팀이 이용한 펨토초 레이저 광빗은 4 테라헤르츠(THz)에 이르는 광대역 주파수를 보유한 레이저로, 각각의 주파수를 하나의 레이저로 이용할 수 있어 확장성이 매우 크며 보상 채널의 한 파장으로 전체 대역을 보상해줌으로써 펨토초 레이저 광빗의 특성을 그대로 전파할 수 있다.
이 기술을 이용하면 기존의 마이크로파를 통한 지상-우주간 인공위성 통신의 통신용량 한계를 극복하고 시간 표준을 분배함으로써 항법장치의 성능을 개선할 수 있다. 또한, 빛의 직진성을 통해 에너지 효율을 획기적으로 개선하고 도청 및 감청에 대한 보안성 또한 확보할 수 있을 것으로 기대된다.
주저자인 강현재, 양재원 연구원은 “대기 중으로 전파하는 레이저가 대기 영향을 받아도 레이저의 특성을 그대로 유지해 전송될 수 있다는 것을 보여줬다. 이는 광섬유를 통해 전파하던 레이저를 공간의 제약을 뛰어넘어 활용할 수 있다는 가능성을 보여주는 결과이다”라며 “광시계 분배 및 동기화로 차세대 항법장치의 성능 개선과 인공위성-지상간 초고속 광통신 연구에도 활용될 수 있을 것으로 기대한다”라고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 과학기술분야 기초연구사업-개인연구사업- 리더연구(국가과학자)지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 펨토초 레이저 광빗 기반 광파수의 초정밀 생성 및 대기 전송
2019.10.22 조회수 16730 -
신인식 교수, 스마트폰 기반 터치사운드 위치파악 기술 개발
〈 왼쪽부터 아니쉬 뱐잔카 석사과정, 김효수 연구교수, 신인식 교수 〉
1분 1초가 소중한 아침 출근 준비 시간, 거울을 보며 양치질을 하는 시간은 유일하게 멍하니 다른 생각을 할 수 있는 순간일 것이다. 만약 양치질 중 거울을 바라보는 것만으로 오늘의 중요한 뉴스, 궁금했던 유튜브 영상, 날씨 등을 미리 확인할 수 있다면 하루를 계획하는 데 큰 도움이 될 것이다.
우리 대학 전산학부 신인식 교수, 김효수 연구교수 연구팀이 가구, 거울 등의 주변 사물들을 터치 입력 도구로 사용할 수 있는 스마트폰 기반의 터치 사운드 위치파악 기술을 개발했다.
이 기술은 사람들이 항상 휴대하는 스마트폰, 태블릿 PC 등을 사용한 기술로, 언제 어디서나 책상 등의 주변 사물들을 가상 키보드로 활용해 장문의 문자, 메일 등을 손쉽게 작성할 수 있고 체스와 같은 보드게임도 즐길 수 있다.
또한 단순 디스플레이 기능만 제공하던 스마트 TV나 거울과 같은 스마트기기에 터치 입력 기능을 삽입해 좀 더 편리하고 효율적인 기기 활용을 할 수 있다.
연구팀이 개발한 시스템은 지난 11월 4~7일 중국 선전에서 열린 모바일 및 센싱 분야의 최고 권위 국제학회 ACM SenSys에서 발표돼 호평을 받았으며, 우수성을 인정받아 ‘베스트 페이퍼 러너-업 어워드(best paper runner-up award)’를 수상했다.
터치 사운드 기반 입력 기술은 다양한 사용 환경에서도 1cm 이내의 오차를 갖는 정확한 터치 입력을 일관성 있게 제공하는 것이 가장 중요하다. 사용자들은 책상, 벽, 거울 등 매번 다른 재질의 사물을 터치 입력 도구로 활용할 수 있어야 하고, 사용 중에도 책이나 가방과 같은 주변 물체의 위치 및 소음 수준이 바뀔 수 있기 때문이다.
연구팀은 사용자가 손톱 등으로 사물을 터치했을 때 발생하는 터치 충돌 소리가 고체 표면을 통해 전달되는 과정을 분석했다.
소리가 공기를 통해 전달될 때와는 달리 고체 표면에 전달될 때에는 주파수에 따라 다른 속도로 전달되는 분산(dispersion) 현상을 겪는다. 분산 현상으로 인해 주파수별로 소리 도달 시간 차이는 소리 전달 거리에 비례해 증가하며, 주변 소음이 변화해도 비례 관계는 변하지 않는다.
김효수 연구교수는 이러한 관찰에 기반해 고체 표면을 통해 전달된 터치 소리를 스마트폰에 녹음하고 간단한 조정 과정을 통해 주파수별 소리 도달 시간 차이와 소리 전달 거리의 관계를 파악했다. 이후 이 값을 이용해 사용자의 터치 입력 위치를 정확하게 계산하는 기술을 개발했다.
개발한 시스템은 약 17인치의 터치스크린에서 평균 0.4cm 이내의 측정 오차를 보였다. 특히 나무 책상, 유리 거울, 아크릴 보드 등 다양한 종류의 사물에서 주변 물체의 위치나 소음이 변하는 상황에서도 항상 1cm 이내의 측정 오차를 기록하는 정확성을 보였다.
특히 기존 기술이 터치 입력 위치파악에만 수백 초 소요되는 것과 달리 정확성과 편리한 사용을 위해 약 10초 이내의 간단한 조정을 통해 기술을 적용하는 데 성공했다. 연구팀은 실제 사용자를 대상으로 한 실험에서도 사용자 경험 및 정확성 등 모든 지표에서 긍정적인 반응을 얻었다고 밝혔다.
신 교수는 “우리가 주위에서 흔히 볼 수 있는 거울, 책상, 벽 등의 표면을 마치 터치스크린처럼 사용할 수 있다면 재미있고 유용한 앱들이 많이 활성화될 것이다”라며 “이 기술은 마이크로폰 3~4개 설치만으로도 터치 입력을 가능하게 하는 새로운 터치 인터페이스 기술이다”라고 말했다.
이번 연구는 Microsoft Research Asia(마이크로소프트연구소 아시아)의 지원을 받아 수행됐다.
※ 데모 비디오 링크
http://cps.kaist.ac.kr/research/ubitap/ubitap_demo.mp4
□ 사진 설명
사진1. 터치 입력 기술 사용 예제
2018.12.13 조회수 18748 -
민범기 교수, 광학적 시공간 경계 통한 빛 제어 기술 개발
〈 민범기 교수, 손재현 박사과정, 이강희 박사 〉
우리 대학 기계공학과 민범기 교수 연구팀이 광학적인 시공간 경계(spatiotemporal boundary)를 이용해 빛의 색과 위상을 동시에 제어하는 기술을 개발했다.
기계공학과 전원주 교수, 물리학과 이상민 교수와의 공동 연구로 진행된 이번 연구는 특수 미세 금속 구조를 반도체 표면 위에 제작해 기존 연구결과에 비해 훨씬 높은 자유도를 갖는 시공간 경계를 구현했다. 이 시공간 경계는 빛의 주파수를 변환할 수 있는 초박막형 광학 소자에 응용 가능할 것으로 기대된다.
이강희 박사, 손재현 박사과정이 공동 1저자로 참여한 이번 연구는 광학분야 국제 학술지 ‘네이처 포토닉스(Nature Photonics)’ 10월 8일자 온라인 판에 게재됐다.
광 주파수 변환 소자는 광학적 비선형성으로 인해 빛의 색이 변화하는 현상을 주로 이용해 빛을 사용한 정밀 측정과 통신 기술에서 핵심 역할을 하고 있다.
일반적인 광학 현상에서는 빛의 중첩(superposition) 원리가 성립하기 때문에 여러 빛이 동시에 물질을 통과해도 서로에게 영향을 주지 않는다. 하지만 빛의 세기가 매우 강하면 빛의 전기장이 물질을 이루는 원자핵, 전자 상호작용에 영향을 줘 빛의 주파수를 배로 늘리거나 두 빛의 주파수를 합하거나 뺀 빛을 형성하는 등의 비선형 광학 현상을 관찰할 수 있다.
이럴 경우 대부분 비선형 형상 구현에 필요한 강한 빛을 얻기 위해 고출력 레이저를 사용하거나 아주 좁은 공간에 빛을 집속시키는 방법을 사용한다.
또한 빛이 통과하고 있는 물질을 빛 스스로가 아닌 다른 외부 자극을 이용해 변화시킬 때에도 주파수 변환 현상을 볼 수 있다. 이렇게 시간에 따라 동적으로 변화하는 물질, 시간 경계 등을 이용하면 약한 빛에서도 주파수 변환을 일으킬 수 있다. 이는 통신 분야에서 유용하게 활용 가능하다.
그러나 외부 자극을 이용한 물성의 변화는 개념적으로만 연구돼 왔고, 다양한 이론적 예측 결과들을 실제로 구현하는 데 어려움이 있었다.
연구팀은 문제 해결을 위해 원자 구조를 모사한 금속 미세구조를 배열해 인공적인 광학물질(메타물질)을 개발했고 이 인공 물질을 매우 빠르게 변화시켜 시공간 경계를 만들어내는 데 성공했다.
기존 연구들이 약간의 굴절률에만 변화를 주는 것에 그쳤다면 이번 연구는 물질의 분광학적 특성을 자유롭게 설계 및 변화시킬 수 있는 플랫폼을 제공했다. 이를 이용해 빛의 색을 큰 폭으로 변화시키면서 주파수 변화량 역시 제어할 수 있는 소자를 개발했다.
연구팀은 주로 개념적으로만 진행되던 시공간 경계에서의 주파수 변환에 관한 연구를 광학물질을 이용해 실현 및 응용할 수 있는 단계로 발전시켰다는데 의의가 있다고 밝혔다.
민 교수는 “주파수 스펙트럼의 변화를 자유롭게 설계하고 예측할 수 있어 폭넓은 활용이 가능하다”며 “광학 분야에서 동적인 매질에 연구에 새 방향을 제시하게 될 것이다”라고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업과 미래유망융합기술파이오니어사업 및 글로벌프론티어사업 파동에너지극한제어연구단의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 협대역의 테라헤르츠파를 입사시켰을 때 시간적 경계의 변화에 따른 주파수 변환 실험 결과
그림2. 기술 개념도
2018.11.05 조회수 19765 -
김정원 교수, 초저잡음 마이크로파 주파수 합성기 개발
우리 대학 기계항공공학부 김정원 교수 연구팀이 광섬유 광학 기술을 이용해 X-밴드 레이더에 활용할 수 있는 초저잡음 마이크로파 주파수 합성기를 개발했다.
이번 기술은 레이더 뿐 아니라 통신, 센서, 정밀계측 등 다양한 분야에서 활용 가능하고 기술이전을 통한 국산화도 가능할 것으로 기대된다.
권도현 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구 성과는 ‘포토닉스 리서치(Photonics Research)’ 2018년도 1월호에 게재됐다.
레이더는 자율주행 자동차, 기상관측, 천문연구, 항공관제, 군용탐지 등 민간 및 군용 분야에서 다양하게 활용된다.
고성능 레이더 내에서의 속도 탐지 및 이미지 분해능 개선, 통신 및 신호처리 능력 향상을 위해서는 레이더 송신신호의 위상잡음(phase noise)을 낮추는 것이 필수적이다. 또한 우수한 주파수 스위칭과 변조 성능 역시 레이더 신호원의 중요한 요구 조건이다.
하지만 위상잡음이 낮은 마이크로파 주파수 합성기는 고가일 뿐더러 수출승인(EL) 품목으로 자국 밖 수출이 금지되거나 특별 허가를 받아야 하는 경우가 많다.
김 교수 연구팀은 고가의 재료나 실험실 밖 환경에서 사용이 어려운 기술 없이도 부품의 신뢰성과 가격경쟁력이 확보된 광섬유광학 기술과 상용 디지털신디사이저(DDS) 부품만을 이용했다. 이를 통해 매우 우수한 위상잡음 수준을 가지며 주파수 스위칭 및 다양한 변조가 가능한 마이크로파 주파수 합성기를 개발했다.
이 주파수 합성기는 광섬유 레이저 기술을 이용해 펄스(pulse) 형태의 빛을 생성한다. 이 때 빛 펄스 간의 시간 간격을 매우 일정하게 만들어 1초 동안 1 펨토초(1천조분의 1초)라는 아주 작은 시간의 오차를 갖는 빛 펄스들을 생성했다.
그리고 이 빛 펄스들을 전기 신호로 변환하는데 이 때 펄스 간 시간 간격에 의해 정해지는 반복률(repetition-rate)의 정수배에 해당하는 임의의 사인파(sinusoidal) 형태의 전기 신호를 생성할 수 있다.
이번 연구에서는 여러 가능한 주파수 대역들 중에서 최근 이슈가 된 사드(THAAD) 레이더를 비롯한 고성능 레이더와 우주 통신 분야에서 그 중요성이 커지는 X-밴드(8-12 GHz) 마이크로파 주파수 대역에서 동작하는 주파수 합성기를 구현했다.
이번 기술은 기존의 최고 성능 오븐제어 수정발진기(OCXO) 기반 주파수 합성기들의 위상잡음보다 월등하게 우수한 성능을 보였다. 또한 전자전(electronic warfare) 및 레이더 시스템에서 중요하게 여겨지는 빠른 주파수 변환 속도와 다양한 주파수 변조 기능 역시 가능함을 선보였다.
이 시스템의 또 다른 장점은 기존 마이크로파 주파수 합성기와 달리 매우 낮은 잡음의 광신호 또한 함께 생성할 수 있다는 것이다. 이러한 저잡음 광신호를 이용하면 레이더 수신기에서 이전에는 없던 새로운 신호 분석 기능도 제공할 수 있다.
김 교수는 “이 연구에서는 X-밴드 신호원을 선보였지만 같은 원리를 활용해서 보다 고주파 대역의 초저잡음 신호도 생성할 수 있다”며 “드론처럼 소형, 저속 물체들에 대한 민감한 탐지에도 활용 가능할 것이다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 광섬유광학 기반 X-밴드 레이더 신호원의 개념도
그림2. 10-GHz에서의 위상잡음 측정 결과와 기존의 최고성능 주파수 합성기들과의 성능 비교
2018.01.18 조회수 25267