신형 유연한 테라헤르츠 카메라, 복잡한 물체 형태의 안전하고 정밀한 검사 가능

오늘날 디지털 시대에 소프트웨어와 센서가 내장된 '사물인터넷(IoT)' 기기 사용이 널리 퍼졌습니다. 무선 장비, 자율 기계, 착용형 센서, 보안 시스템 등이 포함됩니다. 복잡한 구조와 특성 때문에 안전성과 효용성을 평가하고 잠재적 결함을 배제하기 위해 면밀히 검사할 필요가 있습니다. 동시에 검사 중 기기 손상은 피해야 합니다.

테라헤르츠(THz) 이미징의 장점과 기존 한계

0.1~10 THz 주파수 사이의 복사를 기반으로 하는 테라헤르츠(THz) 이미징은 높은 투과율, 해상도, 감도 덕분에 비파괴 검사 방법으로 급속히 인기를 얻고 있습니다. 그러나 기존 THz 카메라는 부피가 크고 딱딱하여 고르지 못한 표면 이미징에 제약이 있습니다. 또한 높은 비용과 센서 구성의 다용도성 부족으로 실용적 대안이 되기 어렵고, 더 적응 가능한 센서가 필요합니다.

도쿄 공대 연구팀의 유연한 THz 센서 어레이 개발

이를 해결하기 위해 도쿄 공대 유키오 카와노(Yukio Kawano) 준교수 연구팀이 불규칙한 모양 물체의 보이지 않는 끝부분을 이미징할 수 있는 유연하고 독립적인 THz 센서 어레이를 설계했습니다.

"테스트 물체의 모양, 구조, 크기가 다양하므로 카메라 설계와 센서는 다양한 구성에 맞춰 변형될 수 있어야 합니다. 우리 연구에서는 적응 가능한 형태의 THz 카메라를 생성하는 단순하고 비용 효율적인 제조 방법을 개발했습니다."라고 카와노 박사는 말했습니다.

탄소나노튜브(CNT) 필름 활용 및 제조 공정

과학자들은 센서 재료가 THz 스펙트럼에서 좋은 흡수율과 방출을 감지 가능한 전기 신호로 변환하는 높은 효율을 가져야 한다는 것을 알았습니다. 이를 위해 탄소나노튜브(CNT) 필름을 선택했는데, 이는 기계적 강도와 유연성도 우수합니다. 레이저 유도 슬릿이 있는 폴리이미드 필름과 멤브레인 필터를 통해 진공 상태에서 CNT 용액을 통과시켰습니다. 건조 후 CNT 용액은 패턴화된 폴리이미드 필름 층 사이에 자유롭게 매달린 구조로 남았습니다. 또한 CNT 필름 어레이의 자기 조립과 양쪽 끝에 전극을 형성하는 능력을 기반으로 한 간단한 제조 공정을 개발했습니다.

이를 위해 패턴화된 폴리이미드 필름 위에 금속 전극을 증착했습니다. 이 과정들이 함께 여러 개의 카메라가 있는 THz 카메라 패치 시트를 생성했습니다. 흥미롭게도 매달린 CNT 필름 구조는 필터링 조건을 변경하여 마찰력을 조절함으로써 수정 가능해 공정을 맞춤화할 수 있습니다.

휴대용 및 착용형 센서로 활용

또한 패치 시트는 가위로 잘라 더 작고 휴대 가능하며 착용 가능한 센서로 만들 수 있으며, 테스트 물체 표면에 부착해 더 나은 커버리지를 얻을 수 있습니다. 연구자들은 수지의 균열, 불순물, 고르지 못한 폴리머 코팅을 감지 및 시각화하고, 구부러진 파이프 내부의 슬러지를 감지함으로써 산업적 응용을 입증했습니다. 이는 품질 관리 작업에서 카메라의 잠재력을 강조합니다.