그래핀-메타물질 활용 테라헤르츠 주파수 변조 성공
최현용 연구팀, 초박막 테라헤르츠 광원 개발 가능성 확보

국내 연구팀이 테라헤르츠를 원하는 주파수 대역으로 변조할 수 있는 기술을 개발했다. 기존 핸드폰 통신 주파수인 기가헤르츠보다 1000배 빠른 테라헤르츠 통신이 가능해졌다.

최현용 연세대학교 교수 연구팀이 그래핀과 메타물질 결합으로 만든 원자 두께 소자를 이용해 테라헤르츠 전자파 발생과 주파수 변조에 성공했다고 26일 밝혔다.

인체에 무해하고 다양한 분야에 활용 가능성이 높아 '꿈의 전자파'로 불리는 테라헤르츠파를 원하는 대역으로 발생시킬 수 있는 기술이 개발된 것.

테라헤르츠파는 1초에 1조 번 진동하는 파동이란 뜻으로 0.1~10 THz 대역의 고주파를 말한다. X-레이보다 투과성이 높아 의료용 진단기와 공항검색대, 문화재 비파괴 검사 등에 활용되고 있다.

특히 기가헤르츠파보다 1000배 이상 대역이 넓어 통신용 개발이 활발하다. 그러나 테라헤르츠파는 큰 고가 장비를 이용해야 발생시킬 수 있었으며 주파수의 대역 조절도 불가능했다.

연구팀은 메타물질을 결합한 그래핀에 펨토초(1000조 분의 1초) 레이저를 쪼이는 방법으로 테라헤르츠파를 발생시켰다. 펨토초 레이저가 그래핀을 투과하면서 생성되는 테라헤르츠파는 그래핀의 피코초(1조분의 1초)단위로 전도도가 바뀌는 특성에 의해 주파수가 변조된다. 이 때 변조되는 주파수는 메타물질의 모양에 따라 조절할 수 있다.
   
메타물질은 가는 고리 모양의 금(gold)이다. 연구팀은 고리 두 부분을 끊어 두 개의 중심각이 다른 호를 만들었다. 두 호의 중심 각 차이에 따라 테라헤르츠파의 대역이 결정되는 것을 밝혀냈다.

그래핀-메타물질 도식(왼쪽), 각각 층의 이름(가운데), 메타물질 사진(오른쪽).(그래핀-메타물질은 그래핀과 메타물질이 수직적으로 결합된 이종접합 구조다. 그래핀과 메타물질 사이에 전하의 이동이 가능하다. 따라서 그래핀의 전하량을 변조시켰을 때 메타물질 광반응이 변화한다. 펨토초 펄스에 대해 그래핀-메타물질은 비선형성을 일으키며, 테라헤르츠 투과시 주파수 믹싱에 의한 새로운 주파수가 발생한다.)<사진=연구팀 제공>
그래핀-메타물질 도식(왼쪽), 각각 층의 이름(가운데), 메타물질 사진(오른쪽).(그래핀-메타물질은 그래핀과 메타물질이 수직적으로 결합된 이종접합 구조다. 그래핀과 메타물질 사이에 전하의 이동이 가능하다. 따라서 그래핀의 전하량을 변조시켰을 때 메타물질 광반응이 변화한다. 펨토초 펄스에 대해 그래핀-메타물질은 비선형성을 일으키며, 테라헤르츠 투과시 주파수 믹싱에 의한 새로운 주파수가 발생한다.)<사진=연구팀 제공>

각기 다른 주파수가 필요했던 세부 분야에서 테라헤르츠파의 생성·변조가 가능해 원하는 특정 주파수를 만들 수 있게 됐다. 연구팀은 통신, 컴퓨터, 디스플레이 등 다양한 분야에서 테라헤르츠파의 활용이 가능할 것으로 기대하고 있다.

최현용 교수는 "현재 핸드폰은 기가헤르츠를 사용하고 있는데, 이보다 1000배 빠른 테라헤르츠 통신이 가능할  것"이라며 "아울러 디스플레이 소재처럼 매우 얇은 소재의 전기적 특성도 빠르게 평가할 수 있을 것"이라고 전망했다.

한편, 이번 연구결과는 재료과학 분야의 세계적인 학술지인 '어드밴스트 머티리얼스'(Advanced Materials)에 지난 12월 발표됐다.

저작권자 © 헬로디디 무단전재 및 재배포 금지