용액공정 제조 이황화몰리브덴 기반의 비휘발성 RF 스위치의 구조와 성능. UNIST 제공
잉크 상태의 원료를 기판에 발라 만든 이차원 반도체 박막을 기반으로 하는 통신용 반도체 소자가 새롭게 개발됐다.
UNIST 전기전자공학과 김명수 교수팀은 용액공정으로 만든 이황화몰리브덴 박막을 이용해 67GHz 대역까지 작동하는 저전력·고성능 고주파 스위치를 개발했다고 22일 밝혔다.
RF(고주파) 스위치는 스마트폰, 위성통신, 레이더, 무선기지국, 자율주행 통신 장비 등에서 고주파 신호의 흐름을 연결하거나 차단하는 필수 반도체 소자다.
UNIST 김명수 교수팀 연구
특히 6G와 우주통신처럼 많은 안테나와 주파수 채널을 동시에 사용하는 시스템에서는 낮은 삽입손실과 높은 절연 성능, 낮은 소비전력의 3박자를 갖춘 스위치가 필요하다.
연구팀이 개발한 스위치는 병렬형 구조에서 67GHz 기준 삽입손실 0.1데시벨(dB) 미만, 절연도 35dB 이상의 성능을 기록했다. 1초에 670억 번 진동하는 고주파 신호가 들어왔을 때 입력 신호의 약 98%를 거의 손실 없이 통과시키고, 스위치를 껐을 때 새는 신호는 0.03% 이하로 억제했다. 주파수가 높아질수록 신호 손실과 누설이 커지기 쉬운 밀리미터파 대역에서도 뛰어난 성능을 유지한 것이다. 신호의 통과와 차단 성능을 종합한 지표인 작동 저항과 차단 정전용량의 곱도 약 0.8펨토초로 '서브 펨토초급'을 달성했다.
또한 스위치를 켜거나 끈 상태를 유지하기 위한 대기전력 소모도 없다. 이황화몰리브덴 반도체 박막을 금속 전극 사이에 넣은 구조로, 전압을 가하면 전극에서 나온 이온이 통로를 형성해 스위치를 켜는 방식이라 전원을 꺼도 상태가 유지되기 때문이다.
특히 스위치에 들어간 이황화몰리브덴 박막은 용액공정으로 만들어져 넓은 면적에 적용하기 쉽다. 용액공정은 반도체 소재를 액체 상태로 만들어 기판에 직접 바르는 방식으로, 박막을 별도로 성장시켜 떼어 옮기는 복잡한 전사 과정이 필요 없다. 일반적으로 용액공정에서는 황 원자 자리가 비는 결함이 발생하기 쉬운데, 이번 스위치에서는 이 황 빈자리가 구리 이온의 이동 경로를 일정하게 잡아줘 오히려 내구성을 향상시켰다. 실제 기계적으로 떼어낸 박막 기반 스위치는 작동 수명이 약 100회에 그쳤으나, 용액공정 박막 스위치는 2,000회 반복 작동에도 성능을 유지했다.
67GHz 대역 신호 손실 최소화 달성
연구팀은 개발한 스위치를 실제 통신 회로에도 적용해 성능을 검증했다. 하나의 안테나를 송수신기에 번갈아 연결하는 회로와, 안테나 자체를 움직이지 않고도 전파 방향을 빠르게 바꾸는 위상변위기를 제작해 정상 작동을 확인했다. 위상변위기는 이동 위성이나 드론처럼 위치가 계속 달라지는 대상을 빠르게 추적할 수 있는 회로다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단, 정보통신기획평가원의 우수신진연구, Space-K BIG 프로젝트, InnoCORE 사업, 지역지능화혁신인재양성사업의 지원으로 수행됐으며, 연구 결과는 세계적 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'에 온라인 게재됐다. 김미영기자 lalala4090@
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