용액공정으로 만든 이차원 박막 기반…저전력·고성능 구현

잉크 상태 원료를 기판에 발라 만드는 이차원 반도체 박막을 기반으로, 6G와 우주 통신에 사용할 수 있는 소자가 새롭게 개발됐다.

울산과학기술원(UNIST)은 전기전자공학과 김명수 교수팀이 용액 공정으로 만든 이황화몰리브덴 박막을 이용해 67㎓(기가헤르츠) 대역까지 작동하는 저전력·고성능 고주파(RF) 스위치를 개발했다고 22일 밝혔다.

고주파 스위치는 스마트폰, 위성 통신, 레이더, 무선 기지국, 자율주행 통신 장비 등에서 고주파 신호 흐름을 연결하거나 차단하는 필수 반도체 소자다.

특히 6G와 우주 통신처럼 많은 안테나와 주파수 채널을 동시에 사용하는 시스템에서는 낮은 삽입 손실(고주파 스위치가 켜져 있을 때 신호가 통과하며 잃는 전력 크기), 높은 절연도(스위치가 꺼져 있을 때 신호를 얼마나 잘 차단하는지를 나타내는 지표), 낮은 소비 전력을 모두 갖춘 스위치가 필요하다.

연구팀이 개발한 스위치는 병렬형 구조에서 67㎓ 기준 삽입 손실 0.1dB(데시벨) 미만, 절연도 35dB 이상의 성능을 기록했다.

1초에 670억번 진동하는 고주파 신호가 들어왔을 때 입력 신호의 약 98%를 거의 손실 없이 통과시키고, 스위치를 껐을 때 새는 신호는 0.03% 이하로 억제했다는 의미다.

일반적으로 주파수가 높아질수록 신호 손실이 커지기 쉬운데, 이 스위치가 6G와 위성 통신에 쓰이는 밀리미터파 대역에서도 낮은 삽입 손실과 높은 절연도를 동시에 유지했다고 연구팀은 설명했다.

또 스위치를 켜거나 끈 상태를 유지하기 위한 대기 전력 소모도 없었다.

이 스위치는 이황화몰리브덴 반도체 박막을 금속 전극 사이에 넣은 구조다. 전압을 가하면 전극에서 나온 이온이 통로를 형성하며 스위치를 켜는데, 전원을 꺼도 이미 만들어진 통로가 유지된다.

더구나 스위치에 들어간 이황화몰리브덴 박막은 용액 공정으로 만들어져 제조가 간단하고, 넓은 면적에 적용하기도 쉽다. 용액 공정은 반도체 소재를 액체 상태로 만든 뒤 기판에 직접 바르는 방식으로, 박막을 별도로 성장시켜 떼어 옮기는 복잡한 전사(轉寫) 과정이 필요 없다.

내구성도 향상돼 박막을 기계적으로 떼어내 만든 스위치는 반복 작동 수명이 약 100회에 그쳤지만, 용액 공정 박막을 쓴 스위치는 2천회 반복 작동에도 성능을 유지했다.

김명수 교수는 "전원을 꺼도 스위치 상태가 유지돼 대기 전력이 들지 않는 만큼 6G와 위성 통신, 레이더, 방산용 전파 제어 시스템을 더 작고 에너지 효율적으로 만드는 데 활용할 수 있을 것"이라고 말했다.