이산화바나듐 공정 혁신
테라파와 적외선 하이브리드 통신 활용 기대
UNIST(총장 이용훈) 물리학과 나노광학연구실은 이산화바나듐(VO₂) 패턴 공정 혁신을 토대로 테라헤르츠(THz) 영역에서 투명성을 유지하고 전기 전도도까지 조절할 수 있는 새로운 '메타표면'을 개발했다고 6일 밝혔다.
'메타표면'은 자연에 없는 특성을 갖도록 만든 이차원 물질을 말한다. 새로 개발한 메타표면은 6G 통신 소자로 활용할 수 있는 적절한 특성을 갖췄다.
6G 이동통신은 1초에 1조비트(bit)를 전송할 수 있는 빠른 속도를 자랑한다. 이를 위해 전송 통로가 넓은 '테라헤르츠파(THz) 대역폭'을 쓰게 되는데 새로운 메타표면은 이러한 테라헤르츠파 대역에서 사용할 수 있는, 작지만 다양한 성능을 지닌 능동 재료다.
'이산화바나듐'은 상온(67℃) 근처에서 온도 변화에 따라 전기가 통하고 안 통하기도 하는 물질이다. 많은 연구자가 이산화바나듐에 패턴을 새겨 소자로 쓰기 위한 패터닝 기술 개발을 시도하고 있다.
UNIST 나노광학연구실은 빛으로 재료에 패턴을 만드는 반도체 포토리소그래피(Photolithography) 공정을 활용했다. 포토리소그래피로 바나듐 패턴을 만든 후 가열하면서 공기 중 산소와 반응시키는 열산화(thermal oxidation)로 이산화바나듐을 성장시켰다.
이어 테라헤르츠 파장보다 작은 주기를 가지는 슬릿 배열 구조의 산화바나듐 메타표면을 만들고 전기적 성질을 조절할 수 있는 테라헤르츠파 영역 투명전극까지 구현했다.
상온에서 100℃까지 온도를 달리하며 광학·전기적 특성을 측정한 결과, 이산화바나듐 부분에서 수천배까지 전도도가 달라지는 것을 확인했다. 메타표면을 통한 테라헤르츠파의 광대역 투과율은 일정했다.
개발 테라헤르츠파 투명전극은 테라헤르츠파와 근적외선 하이브리드 통신 등 다중 스펙트럼 분야에 활용이 기대된다. 에칭-프리 패터닝 공정은 이산화바나듐 기반 메타표면 대량 생산에 유용하다.
연구책임자인 이덕형 물리학과 교수는 “이산화바나듐이 절연체 상태일 때는 사파이어 기판과 유사한 굴절률을 가져 투과율이 높고 금속으로 상태가 변하면 이산화바나듐에서 감소한 투과율을 슬릿에 모인 빛이 보상해 높은 투과율을 그대로 유지했다”고 설명했다.
한국연구재단이 지원한 이번 연구는 광학 분야 학술지 '레이저&포토닉스 리뷰스' 온라인판에 실렸다.
울산=임동식기자 dslim@etnews.com
