6세대 이동통신(6G)에 필수적인 초고속 신호 처리 능력을 갖춘 차세대 양자 소자가 국내 연구진에 의해 개발됐다.

울산과학기술원(UNIST) 물리학과 박형렬 교수팀은 아주대 물리학과 이상운 교수팀과 함께 약한 전기장에서도 안정적으로 작동하는 새로운 테라헤르츠 양자 소자를 개발했다고 30일 밝혔다.

기존 반도체의 느린 작동 속도로는 감당하기 어려웠던 6G 통신 등 초고속 신호 처리를 가능하게 할 차세대 기술로 꼽힌다.

그러나 터널링을 일으키기 위해 필요한 3볼트/나노미터(V/㎚) 수준의 매우 강한 전기장이 발열을 유발해 소자의 금속 전극이 녹거나 구조가 손상되는 문제가 있었다.

이에 연구팀은 기존의 4분의 1 정도의 약한 전기장에도 터널링을 잘 일으킬 수 있는 테라헤르츠 양자 소자를 개발했다.

소자의 금속 전극 사이에 들어가는 절연체를 산화알루미늄에서 이산화타이타늄 소재로 바꾸면서다.

이산화타이타늄은 전자가 넘어야 할 에너지 장벽을 낮춰, 훨씬 약한 전기장에서도 터널링이 잘 일어나게 한다.

또 금속 전극 위에 절연체를 입힐 때 생길 수 있는 미세 불량은 반도체 제조에 쓰이는 '원자층증착' 기술을 활용해 해결했다. 원자층증착은 원자 단위로 박막을 한 층씩 쌓는 기술로, 소자 결함을 최소화할 수 있다.

박형렬 교수는 "테라헤르츠 양자 소자의 상용화를 가로막던 가장 큰 걸림돌인 고전압 구동과 열파괴 문제를 근본적으로 해결했다"며 "6G 시대를 넘어선 미래 광통신 소자, 고감도 양자 감지 분야의 원천 기술이 될 것"이라고 말했다.

이번 연구 결과는 지난 20일 나노과학 분야 국제 학술지 '에이씨에스 나노'(ACS Nano) 온라인판에 실렸다.