테라헤르츠 주파수 변조에 성공

[산업일보]
가시광선이나 적외선보다 파장이 길어 강력한 투과력을 갖지만 인체에 무해한 테라헤르츠파. 1012HZ(헤르츠)인 이 테라헤르츠파에 10-15초로 매우 짧은 펨토초 레이저 펄스를 가하면 주파수를 변조시킬 수 있다는 새로운 발견이 국내 연구진에 의해 밝혀졌다.

한국연구재단(이사장 정민근, 이하 재단)은 미래부와 재단의 신진연구자지원사업, 선도연구센터지원사업, 글로벌프론티어지원사업의 통해 지원 받은 최현용 교수팀(연세대)이 그래핀과 메타물질을 결합해 만든 원자 단위 두께의 소자로 테라헤르츠 전자파의 발생 및 주파수 변조에 성공했다고 밝혔다.

인체에 무해하고 다양한 분야에 활용 가능성이 커 ‘꿈의 전자파’로 불리는 테라헤르츠파를 원하는 대역으로 발생시킬 수 있는 기술이 개발된 것이다.

테라헤르츠파는 1초에 1조(테라=1012)번 진동하는 파동이란 뜻으로 0.1~10 THz 대역의 고주파를 말한다. 인체에 무해하고 X-레이보다 투과성이 높아 의료용 진단기와 공항검색대, 문화재의 비파괴 검사 등에 활용되고 있으며 기가헤르츠파보다 1000배 이상 대역이 넓어 통신용으로 개발도 활발하다. 그러나 현재까지 테라헤르츠파는 큰 고가의 장비를 이용해야 발생시킬 수 있었으며 주파수의 대역 조절도 불가능했다.

하지만 최현용 교수 연구팀은 그래핀에 특수하게 디자인한 메타물질을 결합한 것에 펨토(10-15)초 레이저를 쪼이는 방법으로 테라헤르츠파를 발생시켰다. 펨토초 레이저가 그래핀을 투과하면서 생성되는 테라헤르츠파는 그래핀의 피코(10-12)초 단위로 전도도가 바뀌는 특성에 의해 주파수가 변조된다. 이 때 변조되는 주파수는 메타물질의 모양에 따라 조절할 수 있다.

메타물질은 가는 고리 모양의 금(gold)이며 이 고리의 두 부분을 끊어 두 개의 중심각이 다른 호 두 개를 만드는데, 두 호의 중심 각 차이에 따라 테라헤르츠 파의 대역이 결정되는 것을 밝혀낸 것이다.

그 결과 각기 다른 주파수가 필요했던 세부 분야에서 테라헤르츠파의 생성과 변조가 가능하게 됨으로써 원하는 대로 특정 주파수를 만들 수 있게 됐다.

테라헤르츠파의 주파수를 원하는 대로 만들 수 있다는 것은 그만큼 초고성능의 제품 생산이 가능하다는 것. 이에 따라 통신, 컴퓨터, 디스플레이 등 다양한 분야에서 테라헤르츠파의 활용이 가능해 질 것으로 기대된다.

가령 현재 핸드폰은 기가(giga)헤르츠를 사용하고 있는데, 이보다 1천배가 빠른 테라헤르츠 통신이 가능할 수 있고, 반도체 검사의 경우 기존에는 금속을 장치하고 전류의 흐름을 파악했으나, 이제는 비파괴 비접촉 상태에서 전기가 흐르는지, 흐르지 않는지, 잘 흐르고 있는지, 그렇지 않은지에 대한 분석이 가능할 수 있게 됐다. 또한 디스플레이 소재처럼 매우 얇은 소재의 전기적 특성도 매우 빠르게 평가할 수 있을 것으로 기대된다.

이 연구결과는 연세대 최현용 교수팀과 한국과학기술원 민범기 교수팀 공동으로 재료과학 분야의 세계적인 학술지인 ‘어드밴스트 머티리얼스 (Advanced Materials)’에 발표됐다.