국내연구진, ‘꿈의 전자파’ 테라헤르츠 주파수 변조 성공

래핀-메타물질 도식(왼쪽), 각각 층의 이름(가운데), 메타물질 사진(오른쪽) 그래핀-메타물질은 그래핀과 메타물질이 수직적으로 결합된 이종접합 구조로서 그래핀과 메타물질 사이에 전하의 이동이 가능하다. 따라서 그래핀의 전하량을 변조시켰을 때에 메타물질의 광반응이 변화하게 된다. 펨토초 펄스에 대해서 그래핀-메타물질은 비선형성을 일으키며 테라헤르츠 투과시 주파수 믹싱에 의한 새로운 주파수가 발생한다. [그림=한국연구재단 제공]

아주경제 최서윤 기자 = 한국연구재단은 최현용 연세대 교수팀이 그래핀과 메타물질을 결합해 만든 원자 단위 두께의 소자로 테라헤르츠 전자파 발생과 주파수 변조에 성공했다고 26일 밝혔다. 인체에 해가 없고 다양한 분야에 활용 가능성이 커 ‘꿈의 전자파’로 불리는 테라헤르츠파를 원하는 대역으로 발생시킬 수 있는 기술이 개발된 것이다.

그래핀은 벌집 모양으로 결합된 탄소 원자 한 층으로 이루어진 물질이다. 구리보다 100배 이상, 실리콘보다 100배 이상 전자 이동이 빠르다. 강철보다 200배 이상 강하면서도 투명하고 유연하며 전도가 높아 차세대 전자 소자에 응용 가능성이 높아 ‘꿈의 물질’로 불린다.

테라헤르츠파는 1초에 1조(테라=1012)번 진동하는 파동이란 뜻으로 0.1~10 THz 대역의 고주파를 말한다. 인체에 무해하고 X-레이보다 투과성이 높아 의료용 진단기와 공항검색대, 문화재의 비파괴 검사 등에 활용되고 있으며 기가헤르츠파보다 1000배 이상 대역이 넓어 통신용으로 개발도 활발하다. 그러나 현재까지 테라헤르츠파는 큰 고가의 장비를 이용해야 발생시킬 수 있었으며 주파수의 대역 조절도 불가능했다.

하지만 최 교수팀은 그래핀에 특수하게 디자인한 메타물질을 결합한 것에 펨토(10-15)초 레이저를 쪼이는 방법으로 테라헤르츠파를 발생시켰다. 펨토초 레이저가 그래핀을 투과하면서 생성되는 테라헤르츠파는 그래핀의 피코(10-12)초 단위로 전도도가 바뀌는 특성에 의해 주파수가 변조된다. 이 때 변조되는 주파수는 메타물질의 모양에 따라 조절할 수 있다.

메타물질은 가는 고리 모양의 금(gold)이며 이 고리의 두 부분을 끊어 두 개의 중심각이 다른 호 두 개를 만드는데, 두 호의 중심 각 차이에 따라 테라헤르츠 파의 대역이 결정되는 것을 밝혀낸 것이다.

그 결과 각기 다른 주파수가 필요했던 세부 분야에서 테라헤르츠파의 생성과 변조가 가능하게 됨으로써 원하는 대로 특정 주파수를 만들 수 있게 됐다.

테라헤르츠파의 주파수를 원하는 대로 만들 수 있다는 것은 그만큼 초고성능의 제품 생산이 가능하다는 얘기다. 이에 따라 통신, 컴퓨터, 디스플레이 등 다양한 분야에서 테라헤르츠파의 활용이 가능해 질 것으로 기대된다.

가령 현재 핸드폰은 기가(giga)헤르츠를 사용하고 있는데 이보다 1000배 빠른 테라헤르츠 통신이 가능하게 됐다. 또한 반도체 검사의 경우 기존에는 금속을 장치하고 전류의 흐름을 파악했으나, 이제는 비파괴 비접촉 상태에서 전기가 흐르는지, 흐른다면 잘 흐르고 있는지에 대해 분석할 수 있다. 디스플레이 소재처럼 매우 얇은 소재의 전기적 특성도 매우 빠르게 평가할 수 있을 것으로 기대된다.

최 교수는 "기존의 그래핀 기반 테라헤르츠 주파수는 그래핀의 비선형성을 응용했으나 이번 연구는 그래핀과 메타물질이 결합된 구조를 활용함으로서 메타물질의 높은 빛-물질 상호작용 기반의 높은 주파수 변환 효율을 이끌어 냈다"고 설명했다. 그는 "향후 테라헤르츠 주파수 영역 뿐만 아니라, 적외선 및 가시광선 영역에서도 주파수 변조가 가능한 초박막 유연 소자를 제작할 계획"이라고 덧붙였다.

이 연구결과는재료과학 분야의 세계적인 학술지인 ‘어드밴스트 머티리얼스(Advanced Materials)’에 지난 12월 발표됐다.


☞ 펨토초 레이저 시스템
초고속 펄스를 생성하는 레이저 시스템으로, 펄스 하나의 시간 폭은 약 50 fs(10-15 초) 이다.

☞ 주파수 믹싱
통신 분야에서 널리 활용되는 기술로서, 비선형 매체를 통해 서로 다른 두 개의 주파수 (f1, f2)가 합(f1+f2) 또는 차(f1-f2) 주파수로 변환되는 기술