테라헤르츠파, 10배 빠른 전기적 변조 기술 개발

- 인체에 무해, 공항검색대‧암 진단 영상시스템 등 적용 기대

 

 

 

(그림 1) 메타물질이 집적된 테라헤르츠 변조기. (ㄱ) 금속-반도체-금속 구조의 초고속 전자소자의 단면도. 검은 색으로 표현한 금속 게이트 전극에 전압을 가하면, 전극간의 정전용량이 변화하게 된다.  (ㄴ) 단위격자 메타물질을 나타낸 모습임. 회색 부분이 초고속 전자소자의 능동영역, 흑색으로 처리된 부분이 초고속 전자소자의 게이트에 해당함. 게이트 전극에 전압을 가하게 되면 정전용량이 변화하며, 이에 따라 메타물질 단위격자의 주파수 응답 특성을 변화시킬 수 있다. (ㄷ) 완성된 변조기는 1,122개의 단위격자의 이차원 배열과 양 옆에 위치한 두 개의 전극으로 이루어짐. 변조기의 양 끝단에 위치한 두 개의 전극에 변조를 위해 필요한 전압을 인가할 수 있다. (ㄹ) 제작 완료한 테라헤르츠 변조기의 광학현미경 사진

 

 

□ 테라헤르츠파*를 기존 기술에 비해 10배 이상 빠르게 전기적으로 제어할 수 있는 기술이 개발되었다. 한국연구재단(이사장 정민근)은 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구) 지원을 받은 장재형 교수 연구팀(광주과학기술원)이 “테라헤르츠파의 세기를 초고속 전자소자가 집적된 능동형 메타물질**을 이용하여 전기적 신호로 제어할 수 있는 기술을 개발했다.”고 밝혔다.  

 

  * 테라헤르츠파 : 1초에 1조(1012)번 진동하는 주파수를 가진 전자기파   

  ** 능동형 메타물질 :전자기파의 파장보다 매우 작은 크기를 가지는 유전체 또는 금속 공진기 구조를 주기적으로 배열하여 자연계에 존재하지 않는 독특한 성질을 실현하는 인공 물질을 메타물질이라 하며, 능동형 메타물질은 전기적으로 성질을 변화시킬 수 있는 메타물질임.  

 

□ 테라헤르츠파는 1초에 1012번 진동하는 매우 빠른 주파수이다. 종이, 플라스틱, 의류 등 여러 물질에 대해 투과특성이 우수하고, 인체에 해를 끼치지 않는다. 테라헤르츠 전자기파에 정보를 부가하기 위해서는 전자기파의 세기를 원하는 대로 변화시킬 수 있는 변조기가 필요하다. 이를 위해 기계적으로 전자기파의 진행을 가로막는 방법, 레이저를 반도체 기판에 조사하는 광전도 방식 등이 사용된다. 그러나 속도가 느리거나 부피가 크고 소비전력이 큰 단점이 있어 최근 전기적으로 테라헤르츠 전자기파의 세기를 조절할 수 있는 소자에 대한 연구가 진행되고 있다. 

 

 

 

(그림 2) 테라헤르츠 변조기의 특성. (ㄱ) 메타물질에 가해주는 전압에 따라 변화하는 테라헤르츠 전자기파 투과도 (ㄴ) 0.58 THz 주파수에서 전압변화에 따른 투과도와 변조지수의 변화. 3V 이하의 전압으로 변조기를 구동함을 알 수 있다.

 

 

 

□ 연구팀은 테라헤르츠 전자기파 세기를 전기적으로 제어하기 위해 테라헤르츠 주파수 대역에서 동작하는 메타물질***과 화합물 반도체 초고속 전자소자를 집적하였다. 세 가지 이상의 서로 다른 성질을 가지는 반도체 물질을 적층하여 양자우물 구조****를 구현하고, 그 위에 나노 금속 게이트 구조*****를 형성하여 테라헤르츠 주파수 대역에서 동작하는 초고속 전자소자를 실현하였다. 

 

  *** 메타물질: 전자기파의 파장보다 매우 작은 크기를 가지는 유전체 또는 금속 구조를 주기적으로 배열하여 자연계에 존재하지 않는 독특한 성질을 실현하는 인공 물질  

  **** 양자우물 구조: 넓은 띠 간격을 가지는 반도체 사이에 좁은 띠 간격을 가지는 반도체를 위치시켜 물이 우물에 모이듯 전자들이 얇은 띠 간격을 가진 반도체 물질에 모일 수 있도록 만든 구조  

  ***** 나노 금속 게이트 구조 : 양자우물 구조에 저장된 전자의 농도를 제어하기 위해 전압을 가해주기 위한 게이트 전극을 나노미터 스케일 금속구조로 형성

 

□ 테라헤르츠파를 전기적으로 변조하기 위해 연구팀은 메타물질에 집적된 초고속 전자소자의 정전 용량을 변화시키는 방법을 사용하였다. 가해주는 전압에 따라 정전용량이 변화하는 전자소자는 특정 주파수에서 메타물질의 투과 특성을 변화시킬 수 있어 테라헤르츠 전자기파의 세기를 제어할 수 있게 되었다. 그 결과, 전자소자의 면적을 획기적으로 줄여 선행연구 결과와 비교하여 1/10에 해당하는 전압만으로도 최고의 변조지수를 얻을 수 있었으며, 변조 속도 또한 10배 가량 빠른 연구결과를 도출했다.

 

 

 

 

□ 장재형 소장은 “이 연구결과는 낮은 동작전압******으로 테라헤르츠 전자기파를 전기적으로 10배 이상 빠르게 변조할 수 있는 기술을 보고한 것이다. 별도의 레이저 없이 테라헤르츠파를 전기적으로 변조할 수 있어 공항 검색대, 암 진단 등 영상 시스템 등에 적용이 가능하여 테라헤르츠 영상 시스템의 소형화, 소모전력 감소에 따른 에너지 절감 등에 기여할 것으로 기대된다.” 라고 연구의 의의를 설명했다.  

 

  ****** 동작전압: 메타물질의 성질을 변화시키기 위해 전자소자에 가해주어야 하는 전압. 이 연구에서는 기존 변조기에 비해 약 1/10에 해당하는 3V의 전압으로 테라헤르츠 진폭변조에 성공하였다. 동작 전압이 낮고 전류 또한 낮아 저전력 구동이 가능한 변조기를 구현하였다. 

 

□ 이 연구성과는 세계적 권위의 학술지인 네이처(Nature) 자매지 사이언티픽 리포트 (Scientific Report) 5월 19일자에 게재되었다.

 

 

 

한국연구재단‧GIST 대외협력팀