테라헤르츠 대역 소개

테라헤르츠 대역, 그 속성 및 유용성을 찾는 응용 분야에 대해 알아보십시오.

"THz 갭"이라는 용어를 들어본 적이 있지만 그것이 무엇을 의미하는지 모르는 경우 이 기사는 당신을 위한 것입니다.

테라헤르츠 스펙트럼

테라헤르츠(THz) 복사는 일반적으로 밀리미터와 적외선 주파수 사이인 100GHz(3mm) ~ 10THz(30μm) 범위의 전자기 스펙트럼 영역으로 정의됩니다. THz 대역은 밀리미터 이하, 원적외선, 밀리미터파와 같은 여러 이름으로 불립니다.

1THz에서 방사 신호는 다음과 같은 특성을 갖습니다.

<울>

파장: 여유 공간에서 300μm

기간: 1ps,

광자 에너지: 4.14 meV

또한, hf/k_B =48K 온도 여기서 h는 플랑크 상수(6.62607004 × 10 ^-34 ) J.s), f는 주파수, k_B 는 볼츠만 상수(1.380649×10 ⁻²³ )입니다. J/K).

전자기 스펙트럼의 THz 대역은 그림 1과 같습니다.

그림 1. 전자기 스펙트럼에서 THz 대역의 위치를 ​​보여주는 개략도

전자기 스펙트럼의 이 부분은 인접 영역, 즉 마이크로파 및 광학 대역과 비교할 때 가장 적게 조사되는 영역입니다.

이것이 "THz 갭"이라는 용어가 잘 발달된 인접 스펙트럼 영역과 비교하여 이 대역의 초기 단계를 설명하는 데 사용되는 이유입니다. 이로 인해 물리학, 재료 과학, 전자공학, 광학 및 화학과 같은 다양한 분야의 연구원들이 THz 파동의 다양한 미개척 또는 미개척 측면을 조사하게 되었습니다.

테라헤르츠파의 속성

THz 영역에 대한 관심은 1920년대로 거슬러 올라가지만 지난 30년 동안에만 이 영역에 대한 광범위한 연구가 이루어졌습니다. 이에 대한 주요 동기는 THz 주파수 범위에서 탁월한 파동 특성과 광범위한 적용 가능성입니다.

THz 파는 두 밴드 사이에 끼어 있는 중간 특성을 가지고 있습니다.

이러한 속성은 다음과 같이 요약할 수 있습니다.

<올>

침투: THz 복사의 파장은 적외선 파장보다 깁니다. 따라서 THz 파는 적외선(μm 범위)에 비해 산란이 적고 침투 깊이(cm 범위)가 더 좋습니다. 따라서 건조 및 비금속 재료는 이 범위에서 투명하지만 가시 스펙트럼에서는 불투명합니다.

해결책: THz 파는 마이크로파에 비해 파장이 짧습니다. 이것은 더 나은 공간 이미징 해상도를 제공합니다.

안전: THz 대역의 광자 에너지는 X선보다 훨씬 낮습니다. 따라서 THz 방사선은 이온화되지 않습니다.

스펙트럼 지문: 많은 분자의 내부 및 내부 진동 모드는 THz 범위에 있습니다.

THz 대역 개발의 과제

THz 대역에는 몇 가지 매력적인 특성이 있지만 THz 기술과 관련된 몇 가지 문제가 있습니다. THz 필드가 인접 대역에 비해 저개발된 주된 이유는 효율적이고 일관성 있고 컴팩트한 THz 소스 및 검출기가 부족하기 때문입니다.

소스에 대한 이러한 특성은 트랜지스터 또는 RF/MW 안테나와 같은 일반적인 마이크로파 주파수 소스와 반도체 레이저 다이오드와 같은 가시광선 및 적외선 범위에서 작동하는 장치에서 찾을 수 있습니다. 그러나 전력 및 효율성의 상당한 감소 없이 THz 영역에서 작동을 위해 이러한 기술을 채택하는 것은 불가능합니다.

THz 주파수 범위의 하단에서 일반적으로 고체 전자 장치가 사용됩니다. 그러나 이러한 기기의 롤오프는 1/f ² 입니다. 반응성 저항 효과와 긴 운송 시간으로 인해. 반면에 다이오드 레이저와 같은 광학 장치는 밴드갭 에너지가 충분히 작은 재료가 부족하기 때문에 THz 범위 제한에서 잘 작동하지 않습니다.

THz 대역의 또 다른 문제는 높은 손실입니다. THz파는 대기 및 습한 환경에서 높은 흡수율을 보입니다. 전자기 스펙트럼에 걸친 대기 감쇠는 그림 2에 나와 있습니다.

그림 2. 다양한 대기 상황에 대한 해수면 감쇠:강우 =4 mm/h; 안개 =100m 가시성; STD =7.5g/m ³ 수증기; 2×STD =15g/m ³ 수증기. IEEE Xplore를 통한 M. C. Kemp의 이미지

THz 범위의 신호 저하가 마이크로파 및 적외선 대역보다 훨씬 더 크다는 것은 분명합니다. 이는 부분적으로 물 분자가 이 범위에서 공명하기 때문입니다.

THz파의 불리한 대기 특성은 다음 두 가지 경우에 적합한 작동 주파수 영역이 됩니다.

<울>

항공우주: 우주에서 주변은 진공에 가깝기 때문에 물방울로 인한 신호 흡수 및 감쇠는 문제가 되지 않습니다. 또한 성간 먼지의 스펙트럼 서명은 THz 영역에 있습니다. 따라서 THz 기술은 유럽우주국(European Space Agency)의 허셜 우주 천문대(Herschel Space Observatory) 발사와 같은 전파천문 분야에서 널리 활용되고 있다.

단거리: 단거리 응용 분야의 경우 대기 감쇠는 무시할 수 있으며 특히 흡수율이 높은 주파수는 무시할 수 있습니다. 이렇게 하면 이러한 좁은 선의 효과를 더 쉽게 제거/인식할 수 있습니다. 따라서 THz 기술은 물리학 및 화학과 같은 다양한 분야의 기본 조사에 매우 유용한 도구입니다. 또한 데이터 전송률이 높은 근거리 무선 통신을 위한 매력적인 옵션입니다.

테라헤르츠 방사선의 응용

THz 방사선은 테라헤르츠 이미징, 분광학 및 무선 통신을 포함한 많은 잠재적 응용 분야에서 사용될 수 있습니다.

생의학 영상은 THz 영상의 하위 범주 중 하나입니다. THz 파동은 인체 조직에서 수백 마이크로미터까지 침투할 수 있습니다. 따라서 THz 의료 영상은 피부, 구강 및 유방암과 같은 신체 표면 진단 및 치과 영상에 적용될 수 있습니다. 또한 THz 시스템은 보안 응용 프로그램, 고체 폭발 물질 감지 및 우편 검색에 대한 잠재적인 시장을 가지고 있습니다. 마지막으로 THz 이미징은 반도체 패키징 검사에 편리한 방법입니다.

THz 분광법은 재료 특성을 특성화하고 이 대역에서 특성을 이해하는 매우 강력한 기술입니다. THz 분광법은 유기 분자의 많은 단결정, 미세결정 및 분말 샘플에서 흡수 특성에 대한 이해를 향상시켰습니다.

그림 3은 맥아당 분자의 진동 모드를 식별하기 위한 측정 결과의 샘플을 나타냅니다.

그림 3. THz 시간 도메인 분광 시스템에서 측정된 맥아당의 진동 스펙트럼, 위쪽 그래프는 맥아당 샘플 없이 측정된 THz 신호를 보여줍니다. 아래 그래프의 화살표는 맥아당 분자의 진동 주파수를 보여줍니다. 삽입은 말토오스의 분자 구조를 보여줍니다. Applied Physics Letters를 통한 Y. C. Shen et al의 이미지 .

THz 분광법은 DNA 서명 및 단백질 구조 분석과 같은 생화학 과학에 응용할 수 있습니다. 생산 공정의 인라인 제어는 비접촉 및 실시간 측정을 제공할 수 있는 THz 분광법의 또 다른 잠재적 응용 프로그램입니다. THz 분광법은 THz 주파수에서 높은 수분 흡수율로 인해 건조된 물질과 수화된 물질을 구별하기 위해 긍정적으로 조작할 수 있습니다. 예를 들어, 제지 산업에서 THz 분광법은 제조업체에서 종이의 두께와 수분 함량을 모니터링하는 데 사용되었습니다.

비파괴 검사와 같은 일부 응용 분야에서는 THz 이미징과 분광법이 모두 사용됩니다. 예를 들어, 예술사 조사에서 THz 이미징과 분광법은 유물을 이미징하는 데 도움이 되며, 예술 작품의 여러 층의 두께를 밝히고 재료 유형을 표시하는 데 도움이 됩니다.

그림 4는 Preghiera의 Madonna의 가시 사진(왼쪽)과 0.5~1THz 사이의 통합 스펙트럼을 기반으로 한 그림의 THz 이미지(오른쪽)를 보여줍니다.

그림 4. (a) Preghiera에 있는 Madonna의 가시 사진 (b) 0.5~1THz 사이의 통합 스펙트럼에서 Preghiera에 있는 Madonna의 THz 이미지. Scientific Reports를 통한 J. Dong 등의 이미지

THz 이미징은 수십 미크론 정도의 획기적인 세부 정보로 그림의 하층에 대한 정보를 제공합니다.

또한, THz 이미징 및 분광법은 제약 고체 제형, 정제 코팅 및 활성 제약 성분을 검사하기 위한 두 가지 강력한 정량적 및 정성적 비침습적 방법입니다. 예를 들어, 그림 5는 THz 영역에서 코팅 공정에서 동일한 코팅 시간을 가진 8개의 정제의 코팅층 두께의 정제 간 변화를 보여줍니다.

그림 5. 코팅 시간에 대한 각 개별 정제의 평균 코팅 두께, 삽입된 그림은 120분의 동일한 코팅 시간을 가진 8개 정제의 코팅 두께 맵(μm)을 보여줍니다. 코팅 두께의 큰 정제 간 편차는 분명합니다. International Journal of Pharmaceutics를 통한 Y. C. Shen의 이미지

테라헤르츠 대역의 잠재력

20세기 말과 21세기의 첫 10년 동안 엄청난 양의 THz 실험실 실험이 진행되던 때 연구자들은 주로 다양한 잠재적인 THz 응용 분야에 집중했으며 매우 유망한 결과를 얻었습니다. 사실, 그 매혹적인 실험 결과는 많은 연구자들이 THz 필드를 파헤치고 다양한 측면에서 탐구하도록 하는 큰 동기이자 원동력이었습니다.

최근 몇 년 동안 THz 연구 분야의 지속적인 발전으로 인해 THz 시스템 및 응용 프로그램은 일부 상용 응용 프로그램에서 자리를 찾고 있습니다. 그러나 THz파가 실제 시나리오에서 다른 기술과 경쟁하고 극복할 수 있으려면 다양한 문제를 해결 및/또는 개선해야 합니다. 예를 들어, 고출력 및 소형 THz 소스가 필요하고, THz 측정 시스템은 소형화되어야 하며, 더 빠른 THz 빔 스캔을 위한 방법이 필요하고, THz 시스템은 비용이 더 낮아야 합니다.

또 다른 떠오르는 연구 분야는 THz 무선 통신입니다. 이는 5G 이상의 고속 무선 통신을 가능하게 하기 때문에 특히 수요가 많습니다. 따라서 THz 대역의 잠재력을 최대한 성숙시키고 실현하기 위한 다양한 연구가 요구되고 있다.

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