ETRI, "나노기술 기반 고출력 THz 발생소자" 개발
나노전극 통한 플라즈몬 및 전계향상효과 제어

테라헤르츠(THz)파는 1초에 1조번이나 진동하는 전자기파다. 휴대폰에 사용되는 주파수 대역보다 수백 배 이상 높은 주파수를 갖기 때문에 전달 할 수 있는 정보의 양도 그만큼 많다. 자연 상태의 수많은 물질 분자들의 고유 진동수를 포함하고, 빛이 투과 할 수 없는 물질을 투과 하는 등 빛과 마이크로파의 중간적 성질을 갖는 전자기파이다.

또한 파장이 길어 빛이 투과할 수 없는 물질도 잘 투과한다는 특징이 있다. 특히 테라헤르츠파 대역은 미개척 주파수 대역으로 전 세계적으로 큰 관심이다. 이런 가운데 국내 연구진이 높은 효율로 테라헤르츠파를 발생시킬 수 있는 기술을 개발해 큰 관심을 모으고 있다.

ETRI(한국전자통신연구원, 원장 김흥남) THz포토닉스창의연구센터는 금속 나노구조를 양극과 음극으로 활용해 전극으로 만들어 효율 및 출력을 최대 50배 이상 높였다고 밝혔다.

상용소자 대비 50배 이상 THz파 출력향상 실현

여기에는 플라즈몬 효과 및 국소적 전계 향상 효과라는 것을 통해 변환 효율을 비약적으로 향상시켰는데 관련 연구성과가 네이처 자매지인 사이언티픽 리포트(Scientific Reports)에 지난달 초 게재되었다고 ETRI는 말했다.

연구진은 특히 본 기술이 테라헤르츠파를 이용한 기존 제품보다 효율 및 출력이 50배 이상 높아 플라스틱 내부구조나 암세포와 같은 생체조직을 볼 때 훨씬 유용하다고 설명했다. 그만큼 응용분야를 넓힌 것이다.

기존 상용소자의 경우 출력신호가 낮아 대상물을 정확히 볼 수가 없었다. 하지만, ETRI 연구진이 나노기술 기반, 고출력 테라헤르츠 발생소자의 개발 덕택으로 향후에는 테라헤르츠파를 이용해 금속, 암세포, 유해 화학물질 및 흉기·폭탄 등 검출에 유용할 것으로 보인다.

또한 테라헤르츠파를 이용하면 고유의 특성으로 인해 우주선 발사시 쓰이는 고정밀 타일의 기포여부나 페인트 도포두께, 플라스틱 제조시 결함여부, 제약분야 알약의 정밀 코팅두께 측정에도 유용할 것으로 연구진은 내다보고 있다.

기존에도 나노전극을 통한 효율 향상에 대해서는 여러 연구가 보고되어 왔으나, 그 향상 원인으로 전계효과 및 플라즈몬 효과가 막연히 언급되어 왔다.

하지만, 이번 ETRI의 연구 결과는 두 물리적 현상간의 상호작용 및 각각의 물리적 현상의 효과가 최대화 될 수 있는 조건들에 대해 체계적 접근을 통하여 출력을 최대화할 수 있는 설계를 도출했다는데 큰 의미가 있다.

또한 단순 배열형 나노구조를 채택, 저온성장 소자의 한계를 극복하고 재현성 있는 현저한 출력 향상 특성을 확보하는 쾌거도 이루어 냈다. 연구진은 이를 통해 나노기술 기반 고출력 THz 발생소자를 개발하는데 성공했다. 개발된 소자는 향후 각종 검사 및 검출을 위한 테라헤르츠 응용시스템에 활용될 전망이다.

고출력으로 플라스틱 내부구조 정밀검사 가능길 열어

ETRI 박경현 THz포토닉스 창의연구센터장은 "나노구조에서 일어나는 물질적 현상에 성능을 향상시킨 점과 대면적 나노전극 광전도 안테나 기술을 이차원 구조로 확장함으로써 각각의 단위 소자의 특성을 인위적으로 조절해 새로운 응용의 가능성을 연 것이다." 고 말했다.

테라헤르츠 기술은 전파보다 대역폭이 넓기 때문에 미래 사회의 근간이 되는 보안, 통신, 의료 분야에 핵심적인 분야로 인식되고 있다.

본 연구는 미래창조과학부 및 산업통상자원부의 지원으로 개발되었으며 THz포토닉스 창의연구센터는 소재부터 시스템의 전 영역에 걸친 연구를 통해 SCI 논문 21편 및 국내·외 특허를 50여건을 출원했으며, 요소기술들에 대한 기술이전이 진행 중이라고 밝혔다.

ETRI THz포토닉스창의연구센터는 다수의 국제학술지 투고는 물론 포토닉스 웨스트(Photonics west) 등을 비롯한 테라헤르츠 관련 유명학회에서 초청 및 기조연설을 하는 등, 국내·외 테라헤르츠 기술을 선도하고 있는 연구그룹 이다.

논문의 제1저자는 ETRI THz포토닉스창의연구센터 문기원 박사이며 박경현 센터장이 교신저자다. 센터내 7명의 연구원도 저자에 포함되었다.