최현용 교수팀, 테라헤르츠 주파수 변조에 성공

그래핀 기반 그래핀-메타물질 원자층 단위로 매우 얇아 테라헤르츠 발생 기기 소형화 가능

가시광선이나 적외선보다 파장이 길어 강력한 투과력을 갖지만 인체에 무해한 테라헤르츠파. 1012HZ(헤르츠)인 이 테라헤르츠파에 10-15초로 매우 짧은 펨토초 레이저 펄스를 가하면 주파수를 변조시킬 수 있다는 새로운 발견이 국내 연구진에 의해 밝혀졌다. 

최현용 교수팀(연세대)이 그래핀과 메타물질을 결합해 만든 원자 단위 두께의 소자로 테라헤르츠 전자파의 발생 및 주파수 변조에 성공하였다고 밝혔다. 이 연구결과는 연세대 최현용 교수팀과 한국과학기술원 민범기 교수팀 공동으로 재료과학 분야의 세계적인 학술지인 ‘어드밴스트 머티리얼스 (Advanced Materials)’에 지난 12월 발표되었다.  

인체에 무해하고 다양한 분야에 활용 가능성이 커 ‘꿈의 전자파’로 불리는 테라헤르츠파를 원하는 대역으로 발생시킬 수 있는 기술이 개발된 것이다. 

테라헤르츠파는 1초에 1조(테라=1012)번 진동하는 파동이란 뜻으로 0.1~10 THz 대역의 고주파를 말한다. 인체에 무해하고 X-레이보다 투과성이 높아 의료용 진단기와 공항검색대, 문화재의 비파괴 검사 등에 활용되고 있으며 기가헤르츠파보다 1000배 이상 대역이 넓어 통신용으로 개발도 활발하다. 그러나 현재까지 테라헤르츠파는 큰 고가의 장비를 이용해야 발생시킬 수 있었으며 주파수의 대역 조절도 불가능했다. 

하지만 최현용 교수 연구팀은 그래핀에 특수하게 디자인한 메타물질을 결합한 것에 펨토(10-15)초 레이저를 쪼이는 방법으로 테라헤르츠파를 발생시켰다. 펨토초 레이저가 그래핀을 투과하면서 생성되는 테라헤르츠파는 그래핀의 피코(10-12)초 단위로 전도도가 바뀌는 특성에 의해 주파수가 변조된다. 이 때 변조되는 주파수는 메타물질의 모양에 따라 조절할 수 있다. 
    
메타물질은 가는 고리 모양의 금(gold)이며 이 고리의 두 부분을 끊어 두 개의 중심각이 다른 호 두 개를 만드는데, 두 호의 중심 각 차이에 따라 테라헤르츠 파의 대역이 결정되는 것을 밝혀낸 것이다.  

그림1
▲ 그래핀-메타물질 도식(왼쪽), 각각 층의 이름(가운데), 메타물질 사진(오른쪽) 그래핀-메타물질은 그래핀과 메타물질이 수직적으로 결합된 이종접합 구조로서 그래핀과 메타물질 사이에 전하의 이동이 가능하다. 따라서 그래핀의 전하량을 변조시켰을 때에 메타물질의 광반응이 변화하게 된다. 펨토초 펄스에 대해서 그래핀-메타물질은 비선형성을 일으키며, 테라헤르츠 투과시 주파수 믹싱에 의한 새로운 주파수가 발생한다.

그 결과 각기 다른 주파수가 필요했던 세부 분야에서 테라헤르츠파의 생성과 변조가 가능하게 됨으로써 원하는 대로 특정 주파수를 만들 수 있게 되었다.

테라헤르츠파의 주파수를 원하는 대로 만들 수 있다는 것은 그만큼 초고성능의 제품 생산이 가능하다는 것. 이에 따라 통신, 컴퓨터, 디스플레이 등 다양한 분야에서 테라헤르츠파의 활용이 가능해 질 것으로 기대된다. 

가령 현재 핸드폰은 기가(giga)헤르츠를 사용하고 있는데, 이보다 1천배가 빠른 테라헤르츠 통신이 가능할 수 있고, 반도체 검사의 경우 기존에는 금속을 장치하고 전류의 흐름을 파악했으나, 이제는 비파괴 비접촉 상태에서 전기가 흐르는지, 흐르지 않는지, 잘 흐르고 있는지, 그렇지 않은지에 대한 분석이 가능할 수 있게 되었다. 또한 디스플레이 소재처럼 매우 얇은 소재의 전기적 특성도 매우 빠르게 평가할 수 있을 것으로 기대된다. 

[김들풀 기자  itnews@itnews.or.kr]