Rapid and high-sensitive NV-based microwave field imaging via digital lock-in amplification for on-chip microstrip diagnostics

현대 전자 공학의 보이지 않는 세계에서, 라디오파와 마이크로파는 우리의 휴대폰, 인터넷, 그리고 자동차의 센서를 구동하는 데이터를 운반합니다. 이러한 신호들은 실리콘 칩 위에 새겨진 아주 작은 회로를 통해 믿을 수 없는 속도로 이동합니다. 그러나 장치들이 점점 더 작아지고 복잡해짐에 따라, 엔지니어들은 어려운 문제에 직면하게 됩니다. 즉, 회로를 건드리거나 작동을 멈추게 하지 않고도 그 내부에서 어떤 일이 일어나고 있는지 어떻게 볼 것인가 하는 문제입니다. 전통적인 도구들은 세밀한 디테일을 볼 수 있을 만큼 충분히 가까이 접근하기 어렵거나, 측정하려는 섬세한 신호에 간섭을 일으키곤 합니다. 이를 해결하기 위해 과학자들은 독특한 물질인 다이아몬드에 주목했습니다. 다이아몬드 내부에는 질소-공석(nitrogen-vacancy) 센터라고 불리는 아주 작은 결함들이 존재합니다. 이는 탄소 원자가 빠진 자리에 질소 원자가 들어간 곳으로, 미세한 센서 역할을 하는 결함을 생성합니다. 이 결함들에 녹색 레이저를 쏘면 붉은 빛을 내며 빛납니다. 결정적으로, 이 빛의 밝기는 주변 자기장의 세기에 따라 변합니다. 이를 통해 연구자들은 다이아몬드를 사용하여 자기장을 극도로 정밀하게 "볼" 수 있는 카메라로 활용할 수 있으며, 이 과정에서 다이아몬드는 전자 장치 위에 안전하게 놓여 있게 됩니다.

연구팀은 이제 이 다이아몬드 센싱 기술을 영리한 신호 처리 기법과 결합하여, 이러한 보이지 않는 장들을 영상화하는 새로운 방법을 만들어냈습니다. 그들의 목표는 이전의 시도들을 늦추었던 주요 병목 현상인 '노이즈'를 극복하는 것이었습니다. 일반적인 실험에서는 자기장에 의한 희미한 빛의 변화가 레이저의 깜빡임이나 카메라의 전자적 노이즈에 의해 묻혀버리는 경우가 많습니다. 이를 해결하기 위해 연구진은 '디지털 락인 증폭(digital lock-in amplification)'이라 불리는 방식을 사용하는 시스템을 개발했습니다. 시끄럽고 북적이는 방 안에서 특정 대화를 듣고자 한다고 상상해 보십시오. 만약 당신이 듣고자 하는 사람이 정확히 언제 말할지를 알고 있다면, 그 특정한 리듬에 귀를 기울여 나머지 소음들을 무시할 수 있습니다. 연구진은 빛에 대해서도 이와 유사한 작업을 수행했습니다. 그들은 측정하고자 하는 마이크로파 신호에 부드럽고 리드미컬한 주파수 흔들림(wobble)을 추가했습니다. 이 흔들리는 신호가 다이아몬드 센서와 상호작용하면, 붉은 빛이 그 리듬에 맞춰 완벽하게 동기화되어 맥동하게 됩니다. 연구진은 특정 속도로 맥동하는 빛만을 찾아내도록 설계된 맞춤형 컴퓨터 프로그램을 사용하여 모든 무작위 배경 노이즈를 걸러낼 수 있었습니다. 이를 통해 수천 장의 사진을 찍어 평균을 낼 필요 없이, 단 한 번의 스냅샷만으로도 선명한 신호를 추출해 낼 수 있었습니다.

그 결과, 이전보다 훨씬 빠르고 민감한 시스템이 탄생했습니다. 연구진은 얇은 다이아몬드 조각이 전자 제품에 흔히 쓰이는 미세 안테나의 일종인 마이크로스트립 회로 바로 위에 놓여 있는 현미경 설비를 구축했습니다. 그들은 초록색 레이저를 다이아몬드를 통과시켜 센서를 자극했고, 고속 카메라를 통해 결과물인 붉은 빛을 포착했습니다. 디지털 락인 시스템이 신호를 매우 효과적으로 분리해 낼 수 있었기에, 연구진은 126 나노테슬라/루트 헤르츠(nanotesla per square root of a hertz)의 자기장 민감도를 달로성했습니다. 더 중요한 것은, 이 속도 덕분에 단 몇 초 만에 자기장의 전체 이미지를 캡처할 수 있었다는 점입니다. 유사한 다이아몬드 센서를 사용하는 기존 방식들은 노이즈를 평균화하기 위해 기다려야 했기 때문에, 선명한 영상을 만드는 데 몇 분 또는 몇 시간이 걸리곤 했습니다. 이 새로운 접근 방식을 통해 팀은 실시간으로 자기장을 관찰할 수 있었습니다. 그들은 마이크로파 신호의 전력을 높임에 따라 자기장의 세기가 어떻게 변하는지를 보여줌으로써, 작동 중인 마이크로스트립 라인 위의 자기장을 영상화하는 것을 입증했습니다. 또한, 혼 안테나(horn antenna)를 사용하여 멀리서 회로에 마이크로파 신호를 송출하는 다른 방식도 테스트하여, 직접적인 전기적 연결 없이도 시스템이 작동함을 증명했습니다.

실험 사진이 정확하다는 것을 증명하기 위해, 팀은 실험 데이터와 동일한 회로에 대한 컴퓨터 시뮬레이션을 비교했습니다. 패턴이 밀접하게 일치하였으며, 이는 다이아몬드 센서가 자기장의 지형을 정확하게 매핑하고 있음을 확인시켜 주었습니다. 또한 연구진은 다이아몬드에 작은 자기장을 가해 민감도를 조절함으로써, 특히 2.73 기가헤르츠(GHz)와 3.0 기가헤르츠의 서로 다른 주파수에서도 작동하도록 시스템을 밀어붙였습니다. 영상은 시스템이 이 두 주파수에서 자기장을 감지할 수 있음을 명확히 보여주었으나, 한쪽 주파수에서 신호가 더 강하게 나타났습니다. 마지막으로, 연구진은 실제 무선 주파수 스위치의 결함을 찾는 데 이 도구의 실용적 가치를 테스트했습니다. 그들은 회로의 일부를 의도적으로 긁어 선에 끊김을 만들었는데, 이는 자기장이 해당 지점을 통과하지 못하게 만듭니다. 장치를 영상화했을 때, 끊어진 부분은 자기 신호가 사라진 어두운 빈 공간으로 나타난 반 else 정상적인 부분은 밝게 빛났습니다. 이는 이 기술이 전자 부품을 손상시키지 않고도 결함을 즉각적으로 찾아낼 수 있음을 보여주었습니다. 연구진은 1.6 마이크로미터의 공간 해상도를 달성했는데, 이는 인간의 머리카락 너비보다 작은 디테일을 볼 수 있음을 의미하며, 이 모든 과정을 단 몇 초 만에 칩 전체를 스캔하며 수행했습니다. 이 연구는 엔지니어들에게 강력한 새로운 도구를 제공하며, 이전에는 도달할 수 없었던 명확함과 속도로 고속 전자 공학의 보이지 않는 세계 내부를 들여다볼 수 있는 길을 열어주었습니다.