국내 연구진이 6세대 이동통신(6G) 등 차세대 초고속 통신에 필요한 ‘테라헤르츠(㎔) 대역' 신호를 빠르게 처리할 수 있는 양자 소자를 개발했다. 기존 기술의 난제로 꼽히던 고전압 구동과 열 손상 문제를 동시에 낮췄다는 점에서 상용화 가능성을 한층 끌어올렸다는 평가가 나온다.
박형렬 유니스트 물리학과 교수 연구진은 이상운 아주대 물리학과 교수 연구진과 공동으로, 비교적 약한 전기장에서도 안정적으로 동작하는 테라헤르츠 양자 소자를 구현했다고 30일 밝혔다.
테라헤르츠 양자 소자는 1초에 수조 번 진동하는 테라헤르츠파를 활용해 전자의 ‘터널링(에너지 장벽을 뚫고 이동하는 양자 현상)’을 유도하는 방식으로 작동한다. 반도체 소자가 따라가기 어려운 초고속 동작 영역을 구현할 수 있어 6G 통신을 비롯한 차세대 신호처리 기술로 주목받아 왔다.
다만 기존 소자는 터널링을 일으키기 위해 약 3V/㎚ 수준의 강한 전기장이 필요해 발열이 커지는 문제가 있었다. 이 열로 인해 금속 전극이 녹거나 구조가 손상될 수 있어, 안정적인 구동과 장치 신뢰성 확보가 핵심 과제로 지적돼 왔다.
연구진은 소자 내부 구조 중 금속 전극 사이에 들어가는 절연층 소재를 기존 산화알루미늄에서 이산화타이타늄으로 바꿔 해법을 찾았다. 이산화타이타늄이 전자가 넘어야 하는 에너지 장벽을 낮춰주면서, 기존 대비 약 4분의 1 수준의 전기장에서도 터널링이 원활하게 일어나도록 설계한 것이다. 결과적으로 구동 전압 부담과 열로 인한 파괴 위험을 크게 줄일 수 있었다.
또 절연층을 금속 전극 위에 입히는 과정에서 발생할 수 있는 미세 결함은 반도체 공정에 활용되는 ‘원자층증착’ 기술로 개선했다. 원자 단위로 박막을 층층이 쌓는 방식이라 균일도를 높이고 결함을 최소화하는 데 유리하다는 설명이다.
박형렬 교수는 “테라헤르츠 양자 소자의 상용화를 가로막아 온 고전압 구동과 열파괴 문제를 근본적으로 낮춘 성과”라며 “6G를 넘어 미래 광통신 소자와 고감도 양자 감지 분야로 확장 가능한 원천 기술이 될 것”이라고 말했다.
이번 연구 결과는 나노과학 분야 국제학술지 ‘ACS 나노(ACS Nano)’ 온라인판에 지난 20일 게재됐다.
참고 자료
ACS Nano(2025), DOI: https://doi.org/10.1021/acsnano.5c12360