테라헤르츠파, 전기적 변조 10배 빨리 진행하는 기술 개발

[산업일보]
테라헤르츠파를 기존 기술에 비해 10배 이상 빠르게 전기적으로 제어할 수 있는 기술이 개발됐다. 한국연구재단(이사장 정민근)은 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구) 지원을 받은 장재형 교수 연구팀(광주과학기술원)이 “테라헤르츠파의 세기를 초고속 전자소자가 집적된 능동형 메타물질을 이용해 전기적 신호로 제어할 수 있는 기술을 개발했다”고 밝혔다.

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.

연구팀은 테라헤르츠 전자기파 세기를 전기적으로 제어하기 위해 테라헤르츠 주파수 대역에서 동작하는 메타물질과 화합물 반도체 초고속 전자소자를 집적했다. 세 가지 이상의 서로 다른 성질을 가지는 반도체 물질을 적층하여 양자우물 구조를 구현하고, 그 위에 나노 금속 게이트 구조를 형성해 테라헤르츠 주파수 대역에서 동작하는 초고속 전자소자를 실현했다.

테라헤르츠파를 전기적으로 변조하기 위해 연구팀은 메타물질에 집적된 초고속 전자소자의 정전 용량을 변화시키는 방법을 사용했다. 가해주는 전압에 따라 정전용량이 변화하는 전자소자는 특정 주파수에서 메타물질의 투과 특성을 변화시킬 수 있어 테라헤르츠 전자기파의 세기를 제어할 수 있게 됐다.

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 동작전압으로 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 가능해 테라헤르츠 영상 시스템의 소형화, 소모전력 감소에 따른 에너지 절감 등에 기여할 것으로 기대된다” 라고 연구의 의의를 설명했다.