레이저 세기 25%로 줄인 테라헤르츠파 변조소자 개발
- 풍부한 태양광 사용으로 의료영상·무선통신 분야 원가절감 기대 -
(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.
(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.
(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.
(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
