[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

파장이 길어서 나노기술까지는 필요하지 않았던 기존의 4G ~ 5G 기술에 비해 파장이 짧은 6G 통신 영역의 검출기는 나노기술을 적용하여 고감도 전자기파 검출을 가능하게 할 수 있다. 기존에는 가시광 또는 적외선 영역에서 작동하는 나노 광소자를 최적화하기 위해서 시뮬레이션과 인공지능(AI)을 결합하여 최적 설계를 찾아내는 역설계 방법이 주로 사용되었다. 하지만 6G 통신 주파수의 후보인 0.075 THz ~ 0.3 THz 영역에서의 나노공진기를 최적화하기 위해서 시뮬레이션과 결합한 역설계 방법을 적용하면 파장에 비해 너무 작은 구조물 크기 때문에 고성능 컴퓨터를 이용하여도 수 백년 이상의 시간이 소요될 수 있다. 본 연구에서는 테라헤르츠 나노공진기(nanoresonator)1)의 물리기반 이론 모델을 이용하여 일반 개인용 컴퓨터에서도 며칠 안에 최적 광소자를 설계할 수 있는 기법을 개발하였고, 최적화된 나노공진기를 실험적으로 구현하였다.

2. 연구내용

6G 통신용 전자기파 파장에 비해 백만분의 1의 크기를 갖는 나노공진기를 설계하기 위하여 시뮬레이션 방법을 이용하려면 고성능 컴퓨터(100 GB 이상의 RAM)가 필요하다. 뿐만 아니라 고성능 컴퓨터를 사용함에도 불구하고 한 번의 시뮬레이션 시간도 굉장히 길어져 20 시간 이상의 계산 시간이 요구된다. 결국 수만에서 수십만 번의 반복 시뮬레이션을 통하여 최적 설계를 찾아내는 AI 역설계(inverse design)2) 수행에 수 백년이라는 불가능한 시간이 소요되는 결과를 초래한다. 이를 극복하기 위하여 본 연구에서는 나노공진기에 대한 물리 기반의 해를 AI의 강화학습 방법과 결합하여 일반 개인용 컴퓨터에서도 40시간 이내에 최적화된 광소자를 역설계할 수 있는 기법을 개발하였다. 또한 최적화된 소자를 원자층 리소그래피(atomic layer lithography)3) 방법으로 제작하고, 테라헤르츠 전자기파 투과 실험4)을 통하여 측정한 결과 30,000배 이상의 전기장 집속(기존 보고된 최대치의 3배)을 구현하였음을 확인하였다.

3. 기대효과

본 연구에서 최적화된 나노공진기를 이용하여 6G 전자기파 검출기 성능 향상뿐만 아니라 극미량 분자 감지 센서, 볼로미터 연구 등에도 활용할 수 있다. 또한 본 연구의 방법론은 테라헤르츠 나노공진기 설계에만 국한되지 않고 마이크로파 및 적외선을 포함하는 다른 파장 영역대에서 작동하는 다양한 광소자들의 최적화 설계에 적용될 수 있다.

[붙임] 용어설명

1. 테라헤르츠 나노공진기(terahertz nanoresonator)

테라헤르츠 주파수에서 공진을 일으켜서 나노공진기 내부에 전기장 집속을 최대화시키는 금속-유전체-금속 구조물 어레이

2. 인공지능 역설계(AI-based inverse design)

원하는 결과를 제시하고 그 결과에 최대한 일치하는 디자인을 인공지능을 이용하여 찾는 기법

3. 원자층 리소그래피(atomic layer lithography)

반도체 공정에서 주로 사용되는 포토리소그래피(photolithography) 공정과 원자 층 증착법(atomic layer lithography)을 활용하여 테라헤르츠 나노공진기 구조물을 대면적으로 제작할 수 있는 기술

4. 테라헤르츠 전자기파 투과 실험

GaAs와 같은 반도체 물질을 이용하여 테라헤르츠 영역의 전자기파 펄스를 발생시킨 후 시료를 통과하게 한 후의 펄스 신호를 전기 광학 샘플링 방법(Electro-Optic Sampling method)으로 검출하여 시료의 테라헤르츠 투과율을 측정하는 실험