[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

차세대 5G/6G 이동통신과 사물인터넷(IoT)의 확산으로 무선 단말은 더 넓은 주파수 대역을 유연하게 활용해야 하며, 이를 위해 주파수 선택·차단·경로 전환을 담당하는 RF 스위치의 성능이 점점 더 중요해지고 있다. 특히 여러 주파수 채널이 동시에 작동하는 대규모 병렬 통신 구조가 본격화되면서, 고속·고주파 환경에서의 신호 전환과 절연 특성 확보가 통신 품질을 좌우하는 핵심 요소가 되고 있다.

하지만 기존의 PIN 다이오드나 FET 기반 스위치는 고주파 대역에서 삽입 손실이 커지고 절연 특성이 저하되며, 상태 유지를 위해 지속적인 전력이 필요한 휘발성 구조라는 한계를 지닌다. 이러한 문제는 배터리 기반 기기나 에너지 효율이 중요한 응용에서 큰 제약이 된다. 이 때문에 최근에는 대기 전력이 '0'이면서 테라헤르츠(THz)급 고주파에서도 안정적으로 작동할 수 있는 비휘발성 스위치에 대한 연구가 활발하다.

그중에서도 바나듐 옥사이드(VOx)는 다양한 산화 상태와 준안정 상(Magnéli phases) 덕분에 전기적·구조적 특성을 정밀하게 조절할 수 있어 빠른 응답성과 우수한 내구성을 동시에 구현할 수 있는 소재로 각광받고 있다.

2.연구내용

연구팀은 서브마이크론 크기의 멤리스터 구조를 설계하고, 산소 결함 제어를 통해 이온 이동이 잘 일어나는 비정질 바나듐 옥사이드(VOₓ) 박막을 구현했다. 이를 바탕으로, ON 상태에서는 낮은 저항값을, OFF 상태에서는 커패시터 특성을 갖는 멤리스터 기반 RF 스위치를 제작했다. 이 소자는 최대 4.5테라헤르츠(THz)의 차단 주파수를 달성할 수 있을 만큼 넓은 고주파 대역에서 작동 가능함을 시뮬레이션으로 확인했다.

바나듐 옥사이드 기반의 금속–절연체–금속(MIM) 구조를 활용해 비휘발성 RF 스위치를 구현하고, 이를 통해 5G·6G 통신 환경에서 요구되는 고주파 동작과 낮은 전력 소모라는 두 가지 조건을 동시에 만족할 수 있음을 입증한 것이다. 또한 해당 스위치를 대역통과 필터 회로에 집적해 중심 주파수를 7.6~8.2GHz 범위에서 약 600MHz 폭으로 조절할 수 있는 가변 필터를 구현함으로써, 실제 무선 회로에 적용할 수 있는 가능성과 통신 시스템 단위 확장성도 함께 확인했다.

3.기대효과

바나듐 옥사이드 기반의 비휘발성 RF 스위치 소자가 높은 차단 주파수와 대기전력 소모 없는 에너지 효율적 특성을 바탕으로, 데이터 전송 속도와 전력 효율이 중요한 차세대 무선 통신 시스템의 소형 프론트엔드 소자로 활용될 수 있음을 보여줬다. 아울러, 주파수 선택을 동적으로 조절할 수 있는 가변 대역통과 필터 회로에도 적용 가능성을 제시했다.

[붙임]  용어설명

1.RF 스위치

RF 스위치는 고주파 신호 전달 경로를 선택적으로 연결하거나 차단하는 기능을 수행하는 핵심 소자이다. 주로 무선 통신 시스템에서 안테나 선택, 주파수 경로 전환, 신호 라우팅 등에 활용된다. 낮은 삽입 손실과 높은 절연 특성이 요구 되며, 고주파 영역에서의 성능 안정성이 중요하다. 비휘발성 스위치의 경우, 상태 유지에 추가적인 전력이 필요 없어 저전력 무선 시스템에 적합하다.

2.대역통과 필터

대역통과 필터는 특정 주파수 대역의 신호만 통과시키고, 그보다 낮거나 높은 주파수는 차단하는 필터 회로이다. 무선 통신, 센서, 레이더 등 다양한 RF 시스템에서 원하는 주파수 대역의 신호를 선택적으로 추출하는 데 사용된다. 중심 주파수와 대역폭이 주요 특성으로, 가변형 구조는 주파수 선택성을 동적으로 조정할 수 있어 재구성할 수 있는 회로 설계에 활용된다.

3.멤리스터

멤리스터는 메모리 (memory)와 레지스터 (resistor)의 합성어로 전류 흐름에 따라 저항 상태가 변화하고, 그 상태를 전원 없이도 유지할 수 있는 비휘발성 소자이다. 주로 ReRAM (저항 변화 메모리) 구조로 구현되며, 메모리 뉴로모픽 회로, 고속 스위치 등에 응용된다. 전류-전압 이력 특성을 가지며, 소형화 및 초저전력 동작이 가능해 차세대 반도체 소자로 각광받고 있다.

4.프론트엔드

외부에서 들어온 고주파 신호를 선택·증폭해 내부 회로로 전달하거나, 내부 신호를 주파수에 맞게 변환해 안테나로 송출하는 역할을 하는 무선통신 회로. 스위치, 필터, 증폭기 등이 여기에 포함되며, 통신 품질과 전력 효율을 결정짓는 핵심 구성 요소다.

[붙임] 그림설명

그림. 비휘발성 멤리스터 RF 스위치(a~c, e)와 이를 기반으로 한 가변 필터(d, f) (a) 바나듐 옥사이드(VOₓ) 기반 멤리스터 RF 스위치의 단면 구조를 나타낸 모식도.(b) 멤리스터 소자의 전류-전압(I-V) 특성 곡선. 인가 전압에 따라 저항 상태가 SET(ON), RESET(OFF) 사이를 오가며, 전원이 꺼진 후에도 설정 상태가 유지되는 비휘발성 특성을 확인할 수 있다. (c) 0~20GHz 주파수 대역에서 측정한 스위치의 S-파라미터 데이터. ON 상태에서는 신호가 대부분 통과하고 OFF 상태에서는 신호가 차단됨을 보여준다. (d) VOₓ 멤리스터 RF 스위치가 집적된 X-대역 가변 대역통과 필터의 회로 개략도. 점선 박스는 VOₓ 스위치가 삽입된 위치를 나타낸다. (e) 필터 내 VOₓ 스위치의 확대 구조도. 스위치의 ON/OFF 상태에 따라서 신호가 전달차단되며, 필터의 주파수 대역이 달라진다. (f) 필터의 ON/OFF 상태에서 측정된 S-파라미터와 시뮬레이션 결과. 스위치 조작에 따라 중심 주파수가 7.6GHz(ON)와 8.2GHz(OFF)로 전환되며, 약 600MHz 범위 내에서 조정 가능한 재구성형 대역통과 필터 특성이 입증됐다.