UNIST “6G 통신용 특성 지닌 새 메타표면 개발”

"테라헤르츠 영역에서 투명성 유지하며 전기 전도도 조절"

울산과학기술원(UNIST)은 6G 통신용 소자로 활용하기 적절한 특성을 갖춘 새로운 ‘메타표면'(Metasurface)을 개발했다고 6일 밝혔다.

UNIST 물리학과 나노광학연구실은 이산화바나듐을 슬릿 배열로 패턴을 만들어, 테라헤르츠(㎔)의 넓은 영역에서 투명성을 유지하며 전기 전도도를 조절할 수 있는 메타표면을 개발했다.

메타표면은 자연에 없는 특성을 갖도록 제작한 이차원 물질이다.

이산화바나듐은 상온 근처에서 온도에 따라 상태가 변하는 재료로, 전기가 잘 통하는 금속이 되기도 하고 전기가 안 통하는 절연체로 변하기도 한다.

이 때문에 세계적으로 많은 연구진이 이산화바나듐에 패턴을 만들어 소자로 쓰기 위한 패터닝 기술을 발전시키려 하고 있다.

그러나 기존의 패터닝 방법은 손상을 유발할 수 있는 ‘반응성이온식각’이나 재현성이 떨어지는 ‘드롭 캐스팅’에 의존해 한계가 있었다.

이번 연구에서는 반도체 공정에서 빛으로 재료에 패턴을 만드는 포토리소그래피(Photolithography) 공정을 활용하는 방법이 고안됐다.

포토리소그래피로 바나듐 금속 패턴을 만든 뒤, 공기 중 산소와 반응시키는 열 산화로 이산화바나듐을 성장시키는 방식이다.

이 방법을 쓰면 식각 손상에서 자유로운 대면적 이산화바나듐 패터닝이 가능하다.

연구진은 테라헤르츠파의 파장보다 작은 주기의 슬릿 배열 구조 이산화바나듐 메타표면을 제작해 전기적 성질을 조절할 수 있는 테라헤르츠파 영역 투명전극을 구현했다.

실온에서 100도까지 온도를 다르게 하며 광학적·전기적 특성을 측정한 결과 이산화바나듐 부분은 수 천배까지 전도도가 달라졌다.

반면 메타표면을 통한 테라헤르츠파의 광대역 투과율은 상전이가 일어나도 일정하게 높은 값을 유지했다.

연구 책임자인 물리학과 이덕형 교수는 “이산화바나듐이 절연체 상태일 때는 사파이어 기판과 유사한 굴절률로 투과율이 높다”며 “이 물질이 금속으로 상태가 변하면 이산화바나듐에서 감소한 투과율을 슬릿에 모인 빛이 보상해주므로 높은 투과율을 유지할 수 있다”고 말했다.

연구진은 또 메타표면을 투과한 근적외선(NIR)도 상태 변화에 따라 선택적으로 변조할 수 있다는 사실을 확인했다.

한국연구재단의 지원으로 이뤄진 이번 연구는 광학 분야 국제 학술지인 ‘레이저&포토닉스 리뷰'(Laser&Photonics Reviews)에 온라인판으로 8월 7일 게재됐다.

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