[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

데이터 통신과 초연결 시스템에서 아날로그 스위치는 다양한 주파수 영역대간에 전환, 안테나와 재구성 가능 무선 통신 시스템간의 신호 전달 및 차단에 널리 이용되어 왔다.

전통적인 다이오드 및 트랜지스터 기반 아날로그/RF 스위치는 휘발성 특성을 가지며 스위칭 동작뿐만 아니라 대기 동작에도 에너지를 소모한다. 전자는 소자의 상태를 변화시키는데 사용되는 동적 에너지인 반면, 후자의 경우 정적 에너지 소모이다.

에너지 소모는 통신 시스템을 구성하는 모든 소자들에서 5G를 넘어 차세대 네트워킹에서 가장 중요한 요구 특성 중 하나이다. 멤리스터(memristor), 저항변화 메모리(RRAM), 상변화 메모리(PCM), 그리고 이차원 물질 기반 멤리스터1) 등 대기전력을 소모하지 않는 특성을 지닌 비휘발성 메모리 소자들은 시스템 에너지 소모를 획기적으로 낮추기 위해 활발히 연구가 진행되고 있다.

2. 연구내용

6G2) 기술은 5G 기술 다음 세대의 무선 통신 기술이다. 현재의 모바일 데이터 네트워크를 지원하면서 가상/증강 현실(VR/AR; virtual/augmented reality), 보안과 프라이버시와 같은 고도화된 특징을 가진 퍼베이시브 인텔리전스 (pervasive intelligence)과 같은 새로운 응용을 가능하게 만들기 위해 6G 네트워크는 100 Gbit/s의 데이터 전송 속도3)를 만족하며 테라헤르츠(THz) 영역의 더 높은 동작 주파수, 복잡한 변조4) 기술을 필요로 한다.

결과적으로, 아날로그 스위치는 이런 대규모 병렬 통신 시스템에서 핵심 부품으로 역할하기에, 대기 전력을 소모하지 않으면서도 6G 기술 주파수 영역대와 전송 속도를 만족시킬 수 있는 연구가 필요하다.

연구팀은 6G 데이터 전송과 네트워킹 시스템에 사용이 가능한 단층의 이황화몰리데늄(MoS2)기반 나노스케일 비휘발성 아날로그 스위치를 구현하였다. 나노스케일의 수직, 수평 방향 크기로 작은 ON 상태 저항값과 작은 OFF 상태 커패시터값을 가지며, 이를 통해 MoS2 스위치는 480 GHz 측정 범위까지 작은 삽입손실(낮은 On 상태 저항)과 높은 격리도(낮은 Off 상태 캐퍼시터 값) 얻을 수 있었다. 또한 IEEE 6G 기술 기준의 Gbit/s의 전송 속도를 작은 오차로 구현하였으며, 높은 신호 대 잡음비5)를 만족시켰다. 이런 고성능 스위치 특성은 다양하고 정교한 변조 기술에서 눈 다이어그램6)과 성상도7) 측정을 통해 뒷받침되었다. 추가적으로, 상호변조왜곡8) 측정을 통해 31 dBm의 높은 입력 3차 교차점의 높은 선형성을 확인하였다.

3. 기대효과

이 연구는 차세대 반도체 물질로 각광받고 있는 이차원 물질인 MoS2 기반 아날로그 스위치 소자가 데이터 스피드와 배터리 시간에서 중요한 요소인 높은 전송 속도, 에너지 효율성 측면을 만족하는 차세대 6G 시스템의 소자로 응용 가능하다는 것을 보였다.

[붙임] 용어설명

1. 멤리스터

멤리스터는 메모리 (memory)와 레지스터 (resistor)의 합성어로 저항의 특성을 띠는 소자가 저항값이 일정하지 않고 양단에 인가되는 특정 전압 펄스에 따라 저항값이 변화하며 일정 시간 이를 저장하는 메모리 역할을 한다고 하여 붙여진 이름이다.

2. 6G

6세대 이동 통신(6G)은 5세대 이동 통신 이후의 표준 무선통신 기술로 100마이크로세컨드(100μs)의 지연 시간과 100기가비트(100Gbit/s) 이상의 전송속도를 구현할 것으로 예상하며 5G 이동통신 최대 속도 20Gbit/s보다 5배 빠르다. 6G 기술을 통해 3D 홀로그래픽 영상 서비스부터 끊기지 않는 가상현실(VR) 및 증강현실(AR) 서비스나 널리 보급되고, 드론이나 자동차에서 자율주행이 보편화될 것이라 예측된다.

3. 데이터전송속도

어떤 네트워크 또는 시스템의 한 지점에서 다른 지점으로 데이터가 이동하는 속도를 말한다. 이것은 단위 시간(보통 1초) 동안 한 지점에서 다른 지점으로 옮겨진 데이터의 양을 나타냄.

4. 변조(modulation)

유무선 통신에서 음향, 영상, 데이터와 같은 신호를 전달할 때, 신호를 전송에 적합한 특정 주파수(Carrier Frequency)나 펄스(Pulse)로 변환하는 과정.

5. 신호 대 잡음비(Signal to Noise Ratio, SNR)

일정 세력의 신호가 수신측에 도착하여 나타난 신호전력 대 잡음전력 간의 비로 잡음이 신호에 대한 영향을 정량적으로 나타낸 척도.

6. 눈 다이어그램(Eye diagram)

광 또는 전기 신호의 누적·중첩된 전압 파형을 시간 축상에서 나타낸 것으로 수신 신호의 품질을 검토할 수 있음.

7. 성상도(Constellation diagram)

전송 가능한 신호 집합을 각각에 상응하는 신호점들의 집합으로 2차원 상에서 점으로 나타내 보인 것.

8. 상호변조왜곡(Intermodulation distortion, IMD)

비선형 소자를 통한 RF(전파) 신호처리 과정에서 두 개의 다른 입력 주파수 신호의 Harmonic 주파수들끼리의 합과 차로 조합된 출력주파수 성분이 나오는 현상.

[붙임] 그림설명

그림 1. 2차원 물질 기반 비휘발성 6G 스위치

(a) 수직적층 구조 MoS2 기반 스위치. (b) 다양한 전송 속도와 변조 방법에서의 데이터 통신 성능 측정 성상도. (c) 480 GHz까지의 ON, OFF 상태 스위치 S-파라미터 S21 측정 결과. S-파라미터는 입력 전압대 출력전압의 비를 나타내는 값이다.