주파수가 1초에 1조번 진동하는 테라헤르츠(terahertz, THz)파의 기술 개발이 지난 30년간 활발히 이루어져 왔다. 특히, 레이저 기반의 발생기 및 검출기 기술 개발과 더불어 이를 활용한 영상/센싱 및 분광기술의 발전을 통해 의료, 보안, 검역, 물질관리, 통신 등 많은 분야에서 테라헤르츠파의 쓰임이 증가되는 추세이다.
하지만, 실 응용분야에 적용가능한 테라헤르츠파의 세기 및 주파수 성분의 변조를 위한 어테뉴에이터(신호 레벨을 내리는 부품 및 장치, attenuator), 필터, 모듈레이터, 스위치 등의 변조소자는 아직 기술개발이 미흡하다는 평이다. 특히, 통신 및 영상기술에서 진폭 변조를 통한 정보전달이 필수적이며 그에 따른 변조기의 필요성이 대두되고 있었다.
한국연구재단(이사장 조무제)은 광주과학기술원(총장 문승현) 고도경 교수 연구팀이 태양전지 소자인 페로브스카이트를 활용하여 무선통신의 원가절감을 도와줄 고효율 테라헤르츠파 변조기술을 개발했다고 9일 밝혔다.
테라헤르츠파는 초당 1,000억번 진동하는 물체를 투과하는 전자기파로 숨겨진 테러 물품을 찾아내거나 문화재 등을 복원하는 데 주로 사용된다. 특히 의료영상 및 무선통신 분야에서도 전자기파를 이용한 정보 전달 시 활용된다.
위의 경우, 다양한 정보를 전달하기 위해 전자기파의 진폭을 변조하는 기술이 필요하다. 테라헤르츠파 진폭 변조 방법은 기계적 차폐, 전기적 제어, 레이저와 반도체를 활용한 광전도(반도체 등에 빛을 조사하면 전도대에 전자가 생성되어 전도율이 증가하는 현상을 말한다)방식이 있다.
광전도 방식에 활용되는 변조 소자는 그래핀, 메타물질, 유·무기 화합물 등의 물질과 실리콘 반도체의 이중접합 구조로 주로 제작하며 높은 변조 효율을 가지며, 페로브스카이트는 뛰어난 광흡수력과 광발전효과(빛에너지를 전기에너지로 변환시켜 주는 효과)를 가진다.
최근 제작이 용이하고 저비용 공정이 가능해져 태양전지의 대체 소자로 주목 받고 있다. 연구팀은 페로브스카이트의 장점인 효율적인 광전 특성과 제작의 용이성에 주목해, 테라헤르츠파 진폭 변조 소자 개발에 활용했다.
이번 고도경 교수팀은 태양전지 소자인 페로브스카이트 소자를 활용해 페로브스카이트-실리콘 이중 접합 광소자를 제작했으며, 제작된 복합구조의 광소자는 기존 실리콘 소자에 비해 레이저의 동작 세기가 1/4 밖에 되지 않음에도 동일한 변조 효율을 보여 소자 작동에 필요한 전력량과 입력장치의 제조원가를 모두 절감할 수 있다고 한다.
테라헤르츠파 변조는 녹색 레이저광의 세기조절을 통해 효율적으로 이루어진다. 녹색 빛은 지구에서 이용가능한 자원 중 가장 풍부한 태양광의 구성성분 중, 가장 큰 비율을 차지하며, 본 소자기술은 지구상 대표적 에너지원인 태양광을 이용한 광소자 개발의 원천기술을 확보하는 것에 의의가 있다.
고도경 교수는 “이번 성과는 단일 반도체 구조보다 레이저 동작 세기가 1/4만큼 감소한 저전력 고효율 테라헤르츠파 변조기 개발 연구의 토대를 마련해준 것”이라며, “의료영상과 무선통신 등에 활용되어 기존 비용에 비해 원가절감이 대폭 이루어질 것으로 기대된다”고 연구의 의의를 밝혔다.
한편, 한국연구재단에서 지원한 방사선기술개발의 지원을 통해 거둔 이번 연구성과는 세계 3대 학술지 Nature 자매지인 ‘사이언티픽 리포츠(Scientific Reports)’에 지난 11월 24일자로 게재되었다. (논문명: All-optical THz wave switching based on CH3NH3PbI3 perovskites)
용어해설
테라헤르츠 (terahertz): 1테라헤르츠는 1초에 1조(1012)번 진동하는 전자기파의 주파수
광발전 (photovoltaic): 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜 주는 기술
페로브스카이트 (perovskite): 러시아 우랄산맥에서 처음 발견된 광물로 큐빅형태의 구조체로 정육면체 단위격자의 꼭짓점에 큰 양이온이 있고, 가운데 작은 양이온이, 각 면 중앙에 음이온이 존재하는 구조이며, 노란색, 붉은색, 갈색 및 검은색으로 다양한 색을 뛰는 구조체로 광발전을 위한 이상적인 구조로서 생산도 쉽고 제조단가도 저렴해 실리콘 기반의 태양전지 소재를 대체하는 소재로 각광받고 있으며, 최근 20%에 이르는 높은 에너지 변환효율을 보이는 소자
광전변환효율: 태양전지의 광발전 에너지 변환효율로서, 태양광 및 조사하는 레이저 광의 입력대비 전기적 에너지 출력의 비율
변조기(modulator): 입사하는 전자기파 또는 입력 전기적 신호의 진폭 또는 위상을 변화시켜 출력하는 기능을 가진 소자
레이저 동작 세기: 광전소자의 전자특성을 변화시키기 위해 조사하는 레이저의 세기
