우주 전파망원경의 기술로 나노 세계 관찰
헤테로다인(Heterodyne) 주사 터널 분광계측법 개발
츠쿠바대학 수리물질계 연구팀은 헤테로다인 주사 터널 분광계측법이라는 새로운 국소 정밀 계측방법을 개발하였다. 이 방법에 의해 지금까지 곤란하였던 테라헤르츠파의 신호 및 노이즈 수준의 강도 정도인 미약한 신호를 원자수준의 공간 분해능과 높은 에너지 분해능으로 검출하는 것이 가능하였다.
우주 망원경의 탐지 기술을
주사 터널링 현미경에 도입
개발 HSTS(Heterodyne Scanning Tunneling Spectroscopy)계측법에서는 두 개의 입력 교류신호 f1와 f2의 헤테로다인 믹싱을 STM의 탐침과 시료 사이의 접합부분에서 발생시켜, f1과 f2의 주파수 차이를 가진 신호 f3를 발생시킨다.
f3는 1eV에서 1neV까지의 폭넓은 에너지 영역, 즉 1MHz~1PHz까지의 폭넓은 주파수 영역에 임의의 강도로 발생시킬 수 있다. 또한 발생된 f3신호는 라디오를 튜닝하는 것과 같이 조정될 수 있다. 이 f3 신호를 이용하여 측정대상과 공조흡수 및 헤테로다인 믹싱을 일으키는 신호를 고감도로 검출함으로써 1peV의 에너지 분해능과 원자수준의 공간분해능으로 정밀분광을 수행한다.
예를 들면, 고체표면 위의 스핀의 라모아 세차운동이라는 운동 및 분자의 회전과 진동모드를 비파괴, 무교란으로 고감도 계측할 수 있다.
테라 헤르츠 갭 주파수 영역의 신호와 노이즈 레벨의
미약한 노이즈 레벨 신호 고감도 검출
본 연구그룹은 개발한 HSTS 계측법의 정밀성을 나타내기 위해 우선 장치 상의 다양한 불안정 요인을 배제할 수 있는 kHz 대역의 모델 입력신호(f1과 f2)를 이용하여 주사터널 현미경의 탐침과 시료(고배향성 열분해 그래파이터)와 사이의 접합부분에서 알마 망원경의 검파기와 동일하게 헤테로다인 믹싱을 일으킬 수 있다는 것을 나타내었다.
이 경우 헤테로다인 믹싱에서 발생된 f3 신호의 주파수와 강도를 정밀하게 제어할 수 있다. 다음에 f1과 f2를 접근시켜 상호변조 변형이라는 변형을 발생시켜 높은 주파수의 신호단을 낮은 주파수의 신호단으로 변환하는 비트다운(Beat down)이 가능하다는 것을 나타내었다.
그리고 기가헤르츠 영역에 존재한 신호를 헤테로다인 믹싱에 의해 가청주파수로 변환할 수 있다는 것을 나타내었다.
물질의 원자 식별하고 각 원자의 성질 정밀 측정 기술 실현
마지막으로 HSTS 계측법의 응용 사례로서 통상 록인(Lock in) 검파법이라는 방법에 의한 주사터널 분광계측을 HSTS 계측법에 의해 고속, 정밀하게 전달할 수 있다는 것을 나타내었다. HSTS계측법에서는 각 샘플 바이어스 조건에서 검출되는 터널 전류의 교류성분을 고속푸리에 변환(FFT)에 의해 주파수 분해시킨 후 입력신호인 f1과 f2의 주파수 및 헤테로다인 믹싱으로 발생시킨 f3 신호의 강도를 플롯하였다.
스펙트럼의 형상에 의해 HSTS 계측법에 의해 종래법과 완전히 동일한 신호 프로파일이 얻어진다는 것을 알았다. 여기서는 세 개 주파수 성분만을 플롯하였지만, HSTS 계측법은 종래법과 달리, 관측된 신호의 전 주파수 성분을 한 번에 고감도로 검출한다.
때문에 다수의 주파수 신호 성분이 존재하고 있는 경우라도 각 강도변화를 순간적으로 취득할 수 있다. 이러한 HSTS 계측법이 상당히 우수한 계측법이라는 것을 확인하였다.
자료출처 |university of Tsukuba
용어 해설
헤테로다인[Heterodyne]
비직선성을 가진 장치에서 주파수가 다른 두 교류 신호를 혼합하여 이들 양 주파수의 합 및 차에 해당하는 주파수를 만들어 내는 것. 만들어낸 주파수를 헤테로다인 주파수라 한다. 특히 두 입력 주파수의 차의 주파수를 비트 주파수(Beat frequency)라 한다.
(출처: 전자용어사전)
안면 자동인식 시스템을 탑재한 스마트 전동요람
2014 대학창의발명대회 대통령상 ‘인제대학교 팀’ 수상
올해 최고의 대학생 발명으로 아기의 질식사를 방지하는 ‘안면 자동인식 시스템을 탑재한 스마트 전동요람’이 선정되었다.
이 발명은 자고 있는 유아의 질식사를 방지하기 위한 장치로 아기의 얼굴을 안면인식 카메라로 인식하여 옆으로 누웠을 시 전동요람이 움직여 아기가 원래대로 누울 수 있도록 하는 것이다. 이는 아기가 자면서 뒤척이다가 자는 자세가 바뀌어 질식사 할 수 있는 우려를 막을 수 있어 많은 부모님이 안심하고 아기를 재울 수 있게 된다고 한다.
특허청(청장 김영민), 한국과학기술단체총연합회(회장 이부섭), 한국과학창의재단(이사장 김승환)이 공동 주최하고 한국발명진흥회(회장 구자열)가 주관하는 ‘2014 대학창의발명대회’의 수상작 51점이 발표되었다.
전국의 124개 대학에서 3,961건의 발명이 출품되어 치열한 경합을 벌인 이 대회의 최고상인 대통령상은 ‘안면 자동인식 시스템을 탑재한 스마트 전동요람’을 발명한 인제대학교 팀이 거머쥐었다.
대통령상을 수상한 안면자동인식 시스템을 탑재한 스마트 전동요람은 인제대학교 정관수 지도교수의 지도하에 김학수(인제대학교), 황태민(인제대학교), 장은석(인제대학교) 등의 3인의 출품자들이 발명한 작품이다.
이 발명품은 전동요람으로 정면 상단에 위치한 얼굴 인식 카메라를 통해 옆으로 누워진 아기를 인식하고 요람을 기울임으로써 바로 눕게 하여 질식사를 방지할 수 있도록 한 것이다. 이 아이디어는 전자동 요람으로 유아의 수면을 최적으로 유지시켜 유아에게는 정서적 안정감을 그리고 부모에게는 편리함을 제공하는 아이디어이다. 기존 요람은 부모가 돌보기 힘든 상황(요리, 청소, 통화 등)에서도 자는 아기가 옆으로 누웠을 시 질식을 막기 위해 똑바로 누울 수 있도록 신경을 써야 했다.
하지만 이 아이디어는 안면 인식 카메라, 애플리케이션을 이용하여 아이의 상태를 실시간으로 감시할 수 있고, 또한 감시 중에 아기가 옆으로 누운 자세로 되었을 시 안면 인식 카메라가 이를 인식하고 소형컴퓨터에서 요람 하부의 모터를 움직이게 하여 아기가 바로 누울 수 있도록 한다.
자료출처 | 특허청(
