이산화바나듐, 온도에 따라 특성 변해 메타표면 소자로 쓰기 좋아
근적외선 하이브리드 통신에도 활용할 수 있어
(내외방송=정지원 과학전문 기자) 6G 이동통신 시대를 앞당길 특별한 소자가 개발됐다.
UNIST는 6일 '내외방송'에 보낸 자료에서 "물리학과 나노광학연구실에서 이산화바나듐을 슬릿 배열(좁은 틈을 만드는 배열)한 패턴을 만들어 테라헤르츠의 넓은 영역에서 투명성을 유지하면서 전기 전도도를 조절할 수 있는 '새로운 메타표면'을 개발했다"고 밝혔다.
6G 이동통신은 1초에 1비트를 전송할 수 있을 정도로 빠른 속도를 목표로 한다.
이를 위해 전송 통로가 넓은 테라헤르츠파 대역폭을 사용해야 하는데, 그러기 위해서는 특별한 소자가 필요하다.
이번에 개발된 자연에 없는 특성을 갖도록 제작한 2차원 물질인 메타표면은 6G 통신에서 소자로 활용하기 적절한 특성을 갖췄다.
메타표면을 위해 사용된 이산화바나듐은 상온 근처(67℃)에서 온도에 따라 상태가 변하는 것으로 알려진 재료다.
전기가 잘 통하는 금속이 되기도 하고, 잘 안 통하는 절연체로 변하기도 해 메타표면 소자로 쓰기 좋다고 기대되기 때문이다.
연구팀은 반도체 공정에서 빛으로 재료에 패턴을 만드는 포토리소그래피 공정을 활용했다.
이 공정으로 바나듐 금속 패턴을 만든 뒤 가열해 공기 중 산소와 반응시키는 열 산화로 이산화바나듐을 성장시킬 수 있다.
이렇게 하면 식각 손상(부식)에서 자유로운 대면적 이산화바나듐 패터닝이 가능해진다.
연구팀은 테라헤르츠파의 파장보다 작은 주기를 가지는 슬릿 배열 구조의 산화바나듐 메타표면을 제작해 전기적 성질을 조절할 수 있는 테라헤르츠파 영역 투명전극을 구현했다.
실온에서 100℃까지 온도를 다르게 하면서 광학적 및 전기적 특성을 측정해봤더니 이산화바나듐은 수 천배까지 전도도가 달라졌다.
이덕형 물리학과 교수는 "이산화바나듐이 절연체 상태일 때는 사파이어 기판과 유사한 굴절률을 가지므로 투과율이 높다"고 설명했다.
연구진은 또 메타표면을 투과한 근적외선(NIR)도 상태 변화에 따라 선택적으로 변조할 수 있다는 사실을 확인했다.
다중 스펙트럼에서의 응용 가능성이 입증된 것이다.
이어 "이 물질이 금속으로 상태가 변하면 이산화바나듐에서 감소한 투과율을 슬릿에 모인 빛이 보상해주기 때문에 높은 투과율을 유지한 것"이라고 덧붙였다.
제1저자인 양효심 서울대 박사과정 연구원은 “이 연구에서 개발한 다기능 테라헤르츠파 가변 투명전극은 테라헤르츠파와 근적외선 하이브리드 통신 같은 다중 스펙트럼 응용 분야에 활용할 수 있다”며 “새롭게 개발된 공정은 이산화바나듐 기반 메타표면의 대량생산에 유용할 것”이라고 말했다.
한편, 이 연구는 한국연구재단의 지원으로 수행됐으며 광학 분야의 세계적 학술지인 '레이저 & 포토닉스 리뷰스(Laser & Photonics Reviews)'에 지난달 7일 온라인 게재됐다(논문명: Multifunctional Terahertz Transparency of a Thermally Oxidized Vanadium Metasurface over Insulator Metal Transition).
