^*슬릿: 광선 또는 입자선의 나비를 제한하기 위해 두 장의 날을 나란히 마주 보게 해 만든 좁은 틈. 세극(細隙).

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

6G 차세대 이동통신망은 테라헤르츠(THz) 대역폭을 이용해 1테라비트급 전송 속도를 갖는다. 이 통신망의 목표는 ‘초지능 네트워크 구현’으로, 전체 통신망에 인공지능을 적용해 자율적으로 미래형 지능 서비스가 운영하는 것이다. 이에 따라 테라헤르츠 능동소자 기술 개발이 더욱 중요해지고 있다.

이런 가운데 ‘이산화바나듐’이 능동소자 재료로 주목받고 있다. 이 물질은 상온 근처에서 금속-절연체 상전이 특성을 가지며, 테라헤르츠파에 대한 굴절률 변화와 전기 전도도 변화가 폭발적으로 일어나기 때문이다. 그런데 6G 기술 실용하에 요구되는 대량 생산기술인 포토리소그래피(Photolithography) 기법을 이산화바나듐에 쓰기는 어렵다. 이산화바나듐의 합성온도가 약 500℃ 이상으로 높아 감광물질이 경화되기 때문이다. 그 대안으로 쓰이는 반응성이온식각(RIE)은 기판 손상의 우려가 있고, 드롭 캐스팅(drop castin) 방법은 재현성이 어려운 한계가 있었다.

따라서 이산화바나듐 능동소자 개발을 위해서는 식각 손상에서 자유롭고, 재현 가능한 정교한 패터닝 기술이 필요하다. 이를 통해 차세대 이동통신망의 안정적인 상용화에 한 발 더 다가갈 수 있을 것이다. 

2. 연구내용

이번 연구에서는 포토리소그래피 공정으로 바나듐 금속에 패턴을 새긴 후에 열 산화(thermal oxidation)로 이산화바나듐을 성장시키는 방법을 개발했다. 이로써 식각 손상에서 자유로운 대면적 이산화바나듐 패터닝을 실현했다. 이 기술을 기반으로 테라헤르츠파의 파장보다 짧은 주기를 가지는 슬릿 배열 구조의 산화바나듐 메타표면을 제작해 테라헤르츠파 영역에서의 가변투명전극 구현에 성공했다. (그림1).

연구진은 새로운 가변투명전극을 실온에서 100。C까지 온도영역에서 전기적·광학적으로 측정했다. 그 결과 이산화바나듐 부분은 수 천배의 전기전도도 변화를 보이는 반면, 메타표면을 통한 테라헤르츠파의 광대역 투과율은 상전이가 일어나도 일정하게 높은 값을 유지했다. (그림2) 이는 이산화바나듐이 절연 상태일 때는 사파이어 기판과 유사한 굴절률을 가지므로 투과율이 높고, 금속 상전이로 인한 이산화바나듐의 투과율 감소는 슬릿에서 광집속에 의해 보상되기 때문에 높은 투과율을 유지할 수 있음이 규명됐다. (그림3)

추가적으로 연구진은 메타표면을 투과한 근적외선(NIR) 회절무늬 중 특정 회절 차수만 상전이에 따라 선택적으로 변조할 수 있음을 확인해 다중 스펙트럼에서의 응용도 가능함을 입증했다. (그림4)

3. 기대효과

이산화바나듐 전극은 테라헤르츠파의 투과를 일정하게 유지하면서도 전기전도도를 수 천배 내외로 자유롭게 조절할 수 있다. 이는 차세대 이동통신망 6G 전송에 이용되는 소자에 적용 가능할 뿐만 아니라, 근적외선 회절 무늬의 선택적 변조 기능을 더해 THz/NIR 하이브리드 통신기술 응용도 가능할 것이다.

[붙임]  용어설명

1. 이산화바나듐 (VO₂)

금속-절연체 상전이 특성을 가지는 상전이 물질로써, 67°C 부근에서 상전이가 일어나며 열에너지 외에 전기적, 광학적, 물리적 외력 에너지에 의해서도 상전이가 가능하다. 상전이가 일어남에 따라 전기전도도가 크게는 105배까지 증폭되며, 광학적 굴절률 변화도 동반된다. 

2. 메타표면(Metasurface)

아직 자연에서 발견되지 않은 특성을 갖도록 인공적으로 제작된 이차원적 물질을 가리킨다. 메타표면의 특성을 결정 짓는 기본 단위의 구조물을 인공 원자라고 하며, 인공 원자의 크기와 모양, 주기적 배열 등에 의해 그 특성이 결정된다.

3. 테라헤르츠파(Terahertz wave, THz)

테라헤르츠파는 전자기 스펙트럼에서 적외선과 마이크로파 사이에 존재하며 이들의 특성들을 일부 공유한다. 마이크로파처럼 테라헤르츠파는 다양한 절연체 물질들(의류, 종이, 목재, 플라스틱, 세라믹 등)을 관통할 수 있다. 반면, 테라헤르츠파는 안개와 연기를 뚫는 데에는 한계가 있으며 액체로 된 물이나 금속을 뚫는 것은 불가능하다.

4. 회절 무늬( Diffraction pattern)

파동이 장해물을 피해 열린 곳으로 전파되는 현상을 ‘회절’이라고 하며, 파동의 보강/상쇄 간섭의 원리에 의해 만들어지는 무늬를 회절 무늬라고 한다. 보강간섭은 두 파장의 무늬가 생기는 곳까지의 경로차이가 파장의 정수배일 경우 위상이 동일해져 진폭이 증가한다. 반대로 상쇄간섭은 경로차이가 반파장의 정수배 일 경우 위상이 반대가 되어 진폭이 0이 된다. 따라서 밝은 곳과 어두운 곳이 번갈아 나오는 회절무늬가 생긴다.

[붙임] 그림 설명