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레이저 세기 25%로 줄인 테라헤르츠파 변조소자 개발
- 풍부한 태양광 사용으로 의료영상·무선통신 분야 원가절감 기대 -
 
 
 
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(그림 1) 페로브스카이트-실리콘 이중접합 구조기반 테라헤르츠 변조특성 검출 시스템. 펨토초 레이저 기반의 테라헤르츠파 분광시스템에 녹색 연속파 레이저를 변조소자에 조사하는 형태의 실험 구상도. ZnTe 기반의 광대역 테라헤르츠파(0.2-2THz) 발생 및 검출과 2쌍의 off-axis parabolic mirror 및 TPX lens를 통한 테라헤르츠 빔 가이드. 레이저 동작 세기에 따라 페로브스카이트-실리콘 복합구조에서 테라헤르츠파의 투과 진폭을 조절함.
 
 
 
□ 한국연구재단(이사장 조무제)은 고도경 교수(광주과학기술원) 연구팀이 태양전지 소자인 페로브스카이트를 활용하여 무선통신의 원가절감을 도와줄 고효율 테라헤르츠파 변조기술을 개발했다고 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.
 
  o 위의 경우, 다양한 정보를 전달하기 위해 전자기파의 진폭을 변조하는 기술이 필요하다. 테라헤르츠파 진폭 변조 방법은 기계적 차폐, 전기적 제어, 레이저와 반도체를 활용한 광전도*방식이 있다.
  * 광전도 : 반도체 등에 빛을 조사하면 전도대에 전자가 생성되어 전도율이 증가하는 현상을 말한다. 광전효과의 일종으로 내부 광전 효과라고도 불림.
 
  o 광전도 방식에 활용되는 변조 소자는 그래핀, 메타물질, 유·무기  화합물 등의 물질과 실리콘 반도체의 이중접합 구조로 주로 제작하며 높은 변조 효율을 가진다.
 
□ 페로브스카이트는 뛰어난 광흡수력과 광발전효과*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.
  * 광발전효과(photovoltaic) : 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜 주는 효과
 
□ 고도경 교수팀은 태양전지 소자인 페로브스카이트 소자를 활용해 페로브스카이트-실리콘 이중 접합 광소자를 제작했다.
 
  o 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 있다.  
 
  o 테라헤르츠파 변조는 녹색 레이저광의 세기조절을 통해 효율적으로 이루어진다. 녹색 빛은 지구에서 이용가능한 자원 중 가장 풍부한 태양광의 구성성분 중, 가장 큰 비율을 차지한다.
 
  o 본 소자기술은 지구상 대표적 에너지원인 태양광을 이용한 광소자 개발의 원천기술을 확보하는 것에 의의가 있다.
 
 
 
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(그림 2) 솔루션 공정방식을 통해 제작된 페로브스카이트 소재. 사용된 3가지 공정방식별 (CHP, CBdrp, IFF) scanning microscope 페로브스카이트 표면 이미지와 그에 따른 external quantum efficiency. 약 532 nm 파장대에서 높은 external quantum efficiency를 보여줌.
 
 
 
그림3
(그림 3) 페로브스카이트-실리콘 복합구조 기반 테라헤르츠파 변조 특성. CHP 공정방식에서의 (a) 테라헤르츠 파형 변조 특성 및 (b) 테라헤르츠파 스펙트럼 변조 특성. (c) 공정방식별 레이저 동작 세기에 따른 변조효율. 조사하는 레이저의 세기에 따라 테라헤르츠파의 진폭변조가 변화하였고, 높은 세기일수록 변조폭이 증가함. 공정방식별 진폭변조 효율은 CHP 및 IFF 공정 방식에서 높게 관측이 되며, 약 70%의 높은 변조효율을 나타냄.
 
 
□ 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.
 
□ 한국연구재단에서 지원한 방사선기술개발사업(미래창조과학부 소관사업)의 지원을 통해 거둔 이번 연구성과는 세계 3대 학술지 Nature 자매지인 ‘사이언티픽 리포츠(Scientific Reports)’에 11월 24일자로 게재되었다.
 
 
 
한국연구재단