KISTI 산업시장분석실 김기일 (Tel: 02-3299-6033  e-mail: kimkiil@kisti.re.kr)

다양한 분야에서 적용 가능한 테라헤르츠 시스템
테라헤르츠파는 0.1~10THz의 주파수를 갖는 전자기파의 한 영역으로 적외선과 마이크로파 사이에서 빛과 전파의 중간적 특성을 갖기 때문에 금속을 제외한 반도체, 유전체, 종이, 플라스틱, 천, 피부 등 비극성(Nonpolar) 매질을 매우 잘 투과하는 특성이 있어 다양한 응용 분야에 적용이 기대되고 있다. 특히 테라헤르츠파는 X-선과 달리 인체 유해성이 적으면서도 내부 관측이 가능하고 밀리미터파에 비해 파장이 짧기 때문에 고해상도가 요구되는 고화소 카메라를 소형으로 제작할 수 있다는 장점이 있어 X-선 검사 장비나 초음파 검사 장비를 대체하여 다양한 분야에서 비파괴·비접촉 검사장비로 개발이 기대되고 있다.  

테라헤르츠파는 금속을 제외한 반도체, 유전체, 종이, 플라스틱, 천, 피부 등 비극성 매질을 잘 투과하는 특성이 있어 다양한 응용 분야에 적용이 기대되며 특히 미세 결함이나 내부 미세 구조 관측이 가능하기 때문에 비파괴 검사 장비 분야에서 수요가 급증하고 있다.

한편, sub-THz(1.0THz 이하) 영역은 낮은 해상도 때문에 주로 식료품 이물질 검사나 보안검사 용도로 개발되고 있으나, 30~300㎛(1~10THz) 영역은 파장이 짧고 해상도가 높기 때문에 반도체 패키지 시 발생하는 100㎛ 이하의 미세 결함이나 내부 미세 구조 관측이 가능하다. 현재 초박형 반도체 칩을 다층으로 적층하는 다층 칩 패키지(Multi Chip Packing, MCP) 공정에서 박리, 공극, 균열 등의 결함이 빈번히 발생하고 있으나 기존 비전 시스템으로는 검사가 불가능한 상황이며 이러한 결합들을 효과적으로 검사할 수 있는 비파괴·비접촉식 검사장비에 대한 수요가 급증하고 있다.

하지만 파장이 길어서 상대적으로 시스템이 크고 해상도가 낮기 때문에 고화소 및 소형화에 대한 개발이 절실한 상태이다. 이러한 문제를 나노소재의 장점을 이용하여 테라헤르츠파로 문제점을 개선하고 원천기술을 확보하고자 하는 시도가 이루어지고 있다.

고성장이 예상되는 시장 전망
테라헤르츠 시스템은 이제 막 산업용 제품이 새롭게 출시되고 있는 상태로 2013년까지 파악된 시장은 개별 광원, 검출기, 광학계 등의 단위 부품이나 단순한 단일 채널 검사 시스템들의  물리적 성능 검출 등의 학술연구용으로만 사용되고 있다. 그러나 2014년말부터 레이저 광원이나 카메라 등의 고가 제품이 출시되기 시작했기 때문에 2019년경부터는 전체 시장 규모가 급격히 증가할 것으로 전망된다. 이는 연구용보다 반도체, 바이오 등 생산 품질검사 장비로 납품되면서 시장이 도입기에 접어들어 가파른 성장을 보일 것으로 전망되기 때문이다.

나노소재 기반 테라헤르츠 이미징 시스템의 세계 시장 규모는 2022년 7,200억 원, 국내 시장 규모는 360억 원에 이를 것으로 추정된다.

시장 전문조사 기관인 BCC 리서치에서 2015년에 발표한 테라헤르츠 시스템 시장 전망을 보면, 테라헤르츠 시스템 시장은 현재는 주로 이미징에 국한되어 있지만 2018년부터는 카메라용 센서 시장이 커지며 시스템 등 전체 시장이 급격히 성장하는 것으로 예측되고 있다. 특히 현재 적용 테스트가 진행되고 있는 반도체 등 검사 장비가 본격적으로 생산 현장에 투입되기 시작하는 2019년을 기점으로 급속히 증가하여 2024년에는 전체시장이 약 12억 달러에 달할 것으로 전망된다.

아래 표에는 테라헤르츠 시스템 가운데 한가지인 테라헤르츠 카메라 및 이를 탑재한 반도체 검사장비 시스템을 포함되고 헬스케어와 과학&연구 부문으로 대별되는 나노소재 기반 테라헤르츠 이미징 시스템에 대한 전망이 나타나 있는데, 세계 시장 규모는 2022년에 7,200억 원, 국내 시장 규모는 360억 원에 이를 것으로 추정된다. 방사선 등에 비해 인체에 해가 적고 소형화가 가능하다는 장점으로 인해 반도체, 디스플레이, 자동차, 식품, 제약, 진단, 건축, 토건 등의 방사선 비파괴 검사 시장을 대체하며 바이오, 3D 프린팅, 탄소섬유 생산 등에서는 새로운 시장을 열 것으로 전망된다.

세계 및 국내 기업들의 기술 개발 현황
현재 일본의 NEC와 캐나다의 INO에서 1~10THz 대역 카메라에 적합한 볼로미터 기반의 제품을 출시했지만, 국내는 1~10THz 대역에 대해서 연구 공백이 있어 기술 종속이 우려되고 있다.

1~10THz 대역 카메라는 아래 표에서 보듯이 소재의 전하이동도나 공정 한계로 반도체 방식은 대응이 어려우며 볼로미터 방식이나 주파수 특성에 쉽게 대응이 가능한 안테나 결합 볼로미터 방식이 적합하다. 현재 2~3THz 대역 카메라는 대부분 볼로미터 혹은 안테나 결합 볼로미터 방식으로 개발되고 있고 있으며, 현재 일본의 NEC와 캐나다의 INO에서 볼로미터 기반의 제품을 출시했다.

미국의 Agiltron에서는 ‘photomechanical’ 방식의 제품을 개발 중이다. 프랑스의 LETI에서는 안테나 결합 볼로미터 방식으로 현재 고화소 THz 이미지 센서에 대한 연구를 수행 중이다.
한편 국내는 sub-THz 대역(1THz 이하)에 대해서는 많은 연구가 진행 중이나 1~10THz 대역에 대해서는 연구 공백이 있어 기술 종속이 우려되고 있다.

테라헤르츠 시스템의 향후 전망
생산 공정 모니터링 분야에서는 투과 특성을 이용하여 반도체 패키지, 식품, 제약, 생체 조직 등 비금속 유전체로 구성된 다양한 소재의 내부 구조, 결함, 균열, 성분분포 등 검출이 가능하다. 보안/군사 분야에서는 기존에 사용되는 엑스선이나 밀리미터파 시스템은 프라이버시 논란이 있는데다가, 현 밀리미터 시스템은 초대형에 저해상도로 보급 확대에 한계가 있기 때문에 휴대용 고성능 검색 장비 구현 가능한 1~10THz 대역 카메라 시스템은 활발한 연구 및 개발이 진행 중이다.

한편 가장 큰 시장으로 예상되는 바이오/의료 분야의 경우 파장에 따른 생체 조직 흡수 특성의 차이를 이용해 고분해능(100 마이크론 이하)으로 미세 조직 검사에 적용하는 시장이 먼저 개화될 것으로 판단되며, 이후 실시간 진단 분야로 발전할 전망이다.
또 기술 발전에 따라 소형화/저가격화 등이 진행되면 3D 모델에 대한 디지털 저작권에 대한 인증 시스템 등으로 확대될 예정이다.