UNIST, 반도체 잉크 발라 6G·우주통신용 고주파 스위치 만든다

- 김명수 교수팀, 용액 공정 제조 이차원 물질 기반 비휘발성 RF 스위치 개발 

- 위성통신·레이더·방산용 빔 조향용 회로에서도 정상 작동

연구진 사진. (왼쪽부터) 김명수 교수, 표창우 연구원, 박성문 연구원. (자료제공: UNIST)

용액공정 제조 이황화몰리브덴 기반의 비휘발성 RF 스위치의 구조와 성능. (자료제공: UNIST)

잉크 상태의 원료를 기판에 발라 만든 이차원 반도체 박막을 기반으로 하는 통신용 반도체 소자가 새롭게 개발됐다.

UNIST(총장 박종래)는 전기전자공학과 김명수 교수팀이 용액공정으로 만든 이황화몰리브덴(MoS₂) 박막을 이용해 67기가헤르츠(GHz) 대역까지 작동하는 저전력·고성능 고주파 스위치를 개발했다고 7월 22일 밝혔다.

RF(고주파) 스위치는 스마트폰, 위성통신, 레이더, 무선기지국, 자율주행 통신 장비 등에서 고주파 신호의 흐름을 연결하거나 차단하는 필수 반도체 소자다. 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 억제했다는 의미다. 

일반적으로 주파수가 높아질수록 신호 손실과 누설이 커지기 쉬운데, 6G와 위성통신에 쓰이는 밀리미터파 대역에서도 낮은 삽입손실과 높은 절연 성능을 동시에 유지한 것이다. 신호의 통과와 차단 성능을 종합한 지표인 작동 저항과 차단 정전용량의 곱도 약 0.8펨토초로, 1펨토초보다 작은 ‘서브 펨토초급’ 성능을 달성했다.

또 스위치를 켜거나 끈 상태를 유지하기 위한 대기전력 소모도 없다. 이 스위치는 이황화몰리브덴 반도체 박막을 금속 전극 사이에 넣은 구조로, 전압을 가하면 전극에서 나온 이온이 통로를 형성하며 스위치를 켜는 방식이라, 전원을 꺼도 이미 만들어진 통로가 유지되는 덕분이다.

특히 스위치에 들어간 이황화몰리브덴 박막은 용액공정으로 만들어져 제조가 간단하고 넓은 면적에 적용하기도 쉽다. 용액공정은 반도체 소재를 액체 상태로 만든 뒤 기판에 직접 바르는 방식으로, 박막을 별도로 성장시켜 떼어 옮기는 복잡한 전사 과정이 필요 없다.

일반적으로 용액공정에서는 황 원자 자리가 비는 결함이 발생하기 쉬운데, 반도체 스위치에서는 이 황 빈자리가 구리 이온의 이동 경로를 일정하게 잡아주는 역할을 해 오히려 내구성을 향상시키는 것으로 분석됐다. 실제로 기계적으로 떼어낸 이황화몰리브덴 박막으로 만든 스위치는 반복 작동 수명이 약 100회에 그쳤지만, 용액공정 박막을 쓴 스위치는 2,000회 반복 작동에도 성능을 유지했다.

연구팀은 개발한 스위치를 실제 통신 회로에도 적용해 성능을 검증했다. 하나의 안테나를 송신기와 수신기에 번갈아 연결하는 회로와, 여러 안테나에서 나오는 전파의 타이밍을 조절해 빔의 방향을 바꾸는 위상변위기를 제작해 정상 작동을 확인했다. 

위상변위기는 여러 안테나가 전파를 내보내는 시점을 조절해 빔의 방향을 바꾸는 회로로, 안테나 자체를 움직이지 않고도 전파 방향을 빠르게 바꿀 수 있어 이동 위성이나 드론처럼 위치가 계속 달라지는 대상을 빠르게 추적할 수 있다. 

김명수 교수는 “복잡한 전사 공정이 필요 없는 용액공정 제조 이차원 반도체 물질로, 밀리미터파 대역에서도 신호 손실은 낮고 차단 성능은 높은 RF 스위치를 개발했다”며 “전원을 꺼도 스위치 상태가 유지돼 대기전력이 들지 않는 만큼, 6G와 위성통신, 레이더, 방산용 전파 제어 시스템을 더 작고 에너지 효율적으로 만드는 데 활용할 수 있을 것”이라고 설명했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단, 정보통신기획평가원의 우수신진연구, Space-K BIG 프로젝트, InnoCORE 사업, 지역지능화혁신인재양성사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 세계적 학술지 ‘네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 6월 18일 온라인 공개됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]