"빛보다 빠른 순간이동 하실게요"… 6G 테라헤르츠 시대 초고속 양자 터널링 소자 개발

UNIST·아주대, 발열 문제 잡은 저전력 테라헤르츠 양자 터널링 소자 개발

1000회 안정 구동… 차세대 6G·양자 소자 상용화↑, ACS Nano 게재

6G 통신 등에 필수적인 초고속 작동 능력을 갖춘 양자 소자가 새롭게 개발됐다.

UNIST 물리학과 박형렬 교수팀은 아주대 물리학과 이상운 교수팀과 함께 기존 양자 소자가 강한 전기장을 견디지 못하고 녹아버리던 문제를 해결한 새로운 테라헤르츠 양자 소자를 개발했다고 30일 전했다.

연구진, 박형렬 UNIST 교수, 이상운 아주대학교 교수, 지강선 UNIST 연구원(제1저자). UNIST 제공

테라헤르츠 양자 소자는 기존 반도체의 느린 작동 속도로는 감당하기 어려웠던 6G 통신 등 초고속 신호 처리를 가능하게 할 차세대 소자로 꼽힌다.

1초에 수조(10¹²) 번이나 진동하는 테라헤르츠파로 유도한 전자의 터널링을 이용하기 때문이다. 터널링은 전자가 에너지 벽을 뚫고 지나가는 양자적 현상이다.

문제는 터널링을 일으키기 위해서 3V/nm(볼트/나노미터)라는 매우 강한 테라헤르츠파 전기장을 가해줘야 한다는 점이다. 강한 전기장은 발열을 유발해, 소자의 금속 전극이 녹거나 구조가 손상되는 한계로 이어졌다.

연구팀은 기존의 1/4 수준의 약한 전기장에도 터널링이 잘 일어나는 테라헤르츠 양자 소자를 개발했다. 테라헤르츠 양자 소자는 금속 전극 사이에 절연체가 끼어있는 형태인데, 이 절연체를 기존의 산화알루미늄(Al₂O₃)에서 이산화티타늄(TiO₂)으로 바꾼 것이다. 이산화타이타늄을 쓰면 에너지장벽의 높이가 낮아지는 원리를 이용한 기술이다.

제1저자인 지강선 연구원은 "강한 전기장으로 전자를 밀어내는 방식이 아닌, 전자가 더 쉽게 이동할 수 있는 길을 열어주는 접근법"이라며 "터널링은 확률적 현상이라 에너지 장벽 높이가 낮아지면, 확률이 급격하게 증가하게 된다"라고 설명했다.

연구팀은 최적화된 원자층증착 공정을 이용해 이 같은 구조의 고품질 소자를 제작해냈다. 원래 이산화티타늄 박막을 금속 전극 위에 입히게 되면, 원자 크기의 미세 구멍(산소 공극)이 만들어지는 불량이 잘 발생한다.

이상운 아주대학교 교수는 "반도체 로직·메모리 소자 양산 공정에서 쓰이는 최신 원자층증착 기술을 적용해 차세대 양자 소자의 산소 공극 결함을 잡아낼 수 있었다"고 말했다. 원자층증착은 원료 기체를 번갈아 가며 주입해 기판에 원자 한층 씩 박막 쌓아나가는 기술이다.

개발된 소자는 약 0.75 V/nm의 전기장에서도 안정적인 터널링 구동을 보였다. 또 이산화티타늄의 뛰어난 열 배출 성능 덕분에 테라헤르츠파 투과율을 최대 60%까지 조절하는 조건에서도 1,000회 이상 성능 저하 없이 안정적으로 작동했다.

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

테라헤르츠 전기장에 의해 유도되는 양자 터널링 현상.

이번 연구는 나노과학 분야의 세계적 권위지인 ACS Nano에 12월 20일(현지시간) 온라인 게재됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF), 정보통신기획평가원(IITP) 등의 지원을 받아 이뤄졌다.

영남취재본부 김철우 기자 sooro97@asiae.co.kr