100GHz~10THz 대역의 테라헤르츠파(THz,1초에 1조번 빠르게 진동하는 고주파수 대역)는 광파(빛)의 직진성과 전파의 투과성이 공존하고, 낮은 에너지로 인체에 무해한 점 등의 독특한 물 물리적 특성을 갖고 있기 때문에, 초고속/대용량 정보통신뿐만 아니라 안전/국방, 의료영상, 농업/식품, 반도체산업, 환경 등에 광범위하게 적용 가능한 큰 잠재 시장을 가지고 있는 미래 유망 기술 분야로서, 이 기술의 전 세계 시장규모는 2021년에는 6 억불에 도달한 후 급격하게 성장 할 것으로 전망을 내놓고 있다.
이러한 시장 창출을 위한 테라헤르츠파 기술 개발은 광학적 기술과 마이크로파를 이용하는 전자 공학적 기술이 양립하여, 전 세계적으로 해당 주파수 대역의 신호를 발생시키거나 검출하는 기술 개발을 수행하고 있다. 광학 기반 기술은 고출력의 장점을 갖고 있지만 전체 시스템이 복잡한, 고비용 구조 측면에서 상용화의 걸림돌이 되고 있다.
반면, 전자 공학 기반 기술은 저비용․고집적․소형화가 가능해 상용화 측면에서는 유리하지만, 반도체 소자가 갖고 있는 낮은 전자의 이동도(속도)로 인하여 동작 주파수 및 출력 신호의 크기 등의 측면에서 상용화 수준에 미치지 못하고 있다.
이런 실리콘(CMOS) 기반 전자 소자의 기술적 한계를 극복하기 위한 연구를 활발히 진행하고 있는 연구단이 있어 눈길을 끈다. 바로 카이스트의 이상국교수가 이끄는 ‘CMOS THz 기술융합연구단’이 바로 그곳.
이 연구단은 테라헤츠르파 대역에서의 CMOS 기술의 한계를 극복하고자하는 파이오니아적인 연구 목표를 가지고 2012년 9월 한국연구재단의 ‘미래융합파이오니어’ 사업에 선정되었다. 오는 2018년 2월까지 총 5년 6개월 동안 55억 원의 사업비 지원을 받는다.
연구단에서는 CMOS 전자 속도의 한계를 극복할 수 있는 플라즈마파 기반의 신개념 테라헤르츠 소자 및 시스템 구현에 필요한 핵심 원천 기술을 확보하는 것이 최종목표이다.
우수인력을 바탕으로 원천기술 확보 및 기술상용화에 힘써
또한 연구단에서는 테라헤르츠파 소자 기술의 원천기술 확보 및 상용 실리콘 시스템 반도체 시장 선점에도 심혈을 기울이고 있다.
나노기술 기반 상온 테라헤르츠파 신호발생기 (신호원) 및 검출 소자 구현과, 기존 전자전송속도의 100배 이상의 파속을 갖는 새로운 개념의 플라즈마파 트랜지스터 구현을 목표로 한다. 이는 ballistic MOSFET의 나노 공정기술(NT)과 전파기술(IT)의 융합 연구를 통해 기존 전자 소자 기술의 주파수 및 출력 한계를 극복하는 원천기술을 확보하는 연구이다. 실리콘의 경우에는, 화합물 반도체에 비해 전자의 이동도가 낮아 테라헤르츠파 신호원 소자로서 부적절한 것으로 알려져 있다.
연구단 관계자에 따르면 “하지만 본 연구단에서는 상용 실리콘 반도체에서도 테라헤르츠파 대역의 플라즈마파 발진이 가능하다는 것을 세계 최초로 입증하여 테라헤르츠 기술 상용화에 한걸음 더 다가설 것”이라고 야심찬 포부를 밝혔다.
이에 이러한 연구과제를 수행하기 위해서 연구단은 단장인 이상국 교수를 비롯하여, KAIST, UNIST(울산 과기원), GIST(광주 과기원), 충북대 4개 대학에서 해당 분야 국내 최정상급 7명의 교수와 석·박사 학생 연구원 등 모두 40여명이 참여하여 3 세부 과제로 나뉘어 연구를 수행 중에 있다.
제 1 세부에서는 테라헤르츠파 시스템 핵심 소자인 신호원 개발을 위해 신개념 소자인 플라즈마파 트랜지스터 기반의 신호원 소자 및 10nm 공정 기술 개발과 공명 터널형 다이오드(Resonant tunneling diode) 소자를 개발하고 있다.
제 2 세부는 테라헤르츠파 통신, 이미징, 분광 등의 시스템 구현에 필요한 무선 송수신기, 발진기, 검출기 등의 집적회로 구현 연구를 수행하고 있으며, 제 3 세부는 테라헤르츠파 신호원 소자를 위한 화합물 반도체(HEMT) 공정 기술 개발 그리고 플라즈마파 소자의 이론 분석 및 시뮬레이터 개발 연구를 각각 수행하고 있다.
우수한 인력들을 바탕으로 연구단에서는 실리콘 반도체 공정을 기반으로 테라헤르츠파 통신, 이미징, 분광 시스템 구현에 필요한 신호 발생기 및 검출기 등의 소자 구현을 위한 연구를 수행하여 세계적 수준의 여러 핵심 원천 기술들을 확보하였다.
먼저, 플라즈마파 기반의 10 테라헤르츠 급 신호 발생기 기술 개발을 위하여, 연구팀은 독창적으로 개발한 플라즈마파 트랜지스터 성능평가방법을 활용하였다. 이는 고가의 화합물 반도체에 비해 전자의 이동도가 낮아 테라헤르츠 파 동작이 불가능한 것으로 알려진 저가의 상용 실리콘 반도체에서도 테라헤르츠파 대역의 플라즈마파 발진이 가능하다는 것을 처음 이론적으로 밝히는 계기를 마련한 것이다.
이 내용은 세계적 권위의 국제전기전자공학회(IEEE) 주관 나노테크놀로지 학회 (IEEE-NANO)에서 차세대 나노전자소자 분야 Best Paper로 국내 연구기관에서 유일하게 선정 발표되기도 하였다. 또한, 플라즈마파 트랜지스터 소자 구현을 위해서는, 소자의 크기가 작으면서도 고속의 전자 이동도(Ballistic transport FET) 를 갖는 초미세 나노 공정 기술이 필수적인데, 전자 이동도의 속도를 평가하는 척도인 ‘ballisticity’가 0.8 수준으로 세계 최고 수준의 10nm급 2차원/3차원 반도체 공정 기술을 개발하였다.
또한 1~2 테라헤르츠 급 신호 발생기 개발에도 괄목할 만한 성과를 이루었다. 이는 전압제어 발진기 회로 구조를 이용하여 300 기가헤르츠 대역의 신호 발생기를 개발하였고, 500 기가헤르츠 대역의 신호 발생기를 제작 중에 있으며, 다음 단계로는 1~2 테라헤르츠 급 신호 발생기를 설계할 계획인 것으로 알려졌다. 더불어 공명 터널형 다이오드(Resonant tunneling diode) 소자를 이용하여 500 기가헤르츠 신호원을 개발하였으며, 현재 1 테라헤르츠 급을 설계, 제작하여 측정 중에 있다.
테라헤르츠 이미징 검출기 성과 측면에서는 기존 트랜지스터의 동작 주파수 보다 훨씬 높은 주파수에서 동작이 가능하다고 알려진 Non-resonant 플라즈마 웨이브 (NR-PWT) 원리를 이용하여 MOSFET 기반의 이미지용 어레이 검출기 연구를 성공적으로 수행하였다. 테라헤르츠 파 이미지 검출기의 기본이 되는 NR- PWT 검출 소자의 반응도 및 잡음에 대한 이론적 모델 정립을 통해 성능을 극대화하는 분석을 하였으며, 국내 최초로 500 기가헤르츠 대역의 5x5 어레이 검출기 단일 칩을 개발하였고, 현재 1.5 테라헤르츠 급 검출기 칩을 설계하여 제작 중에 있다. 1~2년 내에 상용화가 가능한 실시간, 소형의 1~2 테라헤르츠 대역 이미징용 검출기 어레이 단일 칩 검출기를 개발할 계획 중이다.
이 밖에도 증폭기 기술, 초소형 안테나 기술 및 전송선로 기술 등의 테라헤르츠파 시스템 구현에 필요한 핵심 기술을 확보하였다.
이에 이러한 연구결과들로 인하여 2년간 관련 분야 저명 SCI 저널 논문 20편, 국제 학회 10편 그리고 핵심 기술에 대한 국제 특허 10건, 국내 특허 30 건의 성과를 내 놓았다.
연구단 관계자는 “연구단에서 확보된 핵심 기술들은 기존 전자소자의 동작주파수 한계를 극복하고 미개발 잠재 시장인 테라헤르츠파 초고속/대용량 통신, 이미징 및 분광의 새로운 반도체 산업 시장을 열 수 있는 기초원천 기술이 될 수 있을 것으로 기대한다”고 포부를 밝히기도 하였다.
또한 본 연구단에서는 실험실습을 위한 다양한 장비도 구축되어 있다. 연구단에는 테라헤르츠파 신호를 측정하기 위한 장비로 신호 발생기에서 자유 공간으로 방출되어 신호원의 주파수 및 출력의 세기를 측정할 수 있는 골레이 셀(Golay Cell) 검출기 기반의 테라헤르츠파 신호원 측정 시스템 및 0.5 테라헤르츠 대역의 안테나, 증폭기, 검출기 등의 소자들의 측정과 성능 분석이 가능한 네트워크 분석기(VNA) 장비, 그리고 0.5/1.5 테라헤르츠 이미징 시스템이 구축 되어있다. 그리고 이미징 시스템에 있는 0.5THz (5mW) 및 1.5THz (30uW) 신호 발생기를 이용한다면 이 대역에서의 검출기(소자) 성능 측정도 가능한 것으로 알려져 있다.
불철주야 연구개발로 미래반도체시장 선도
마지막으로 사업단 관계자는 “테라헤르츠파 대역의 전자소자 기반의 신호원 개발을 위하여 전 세계적으로 연구가 활발하게 진행되고 있지만, 여전히 전자 소자의 기술적 한계를 극복하지 못하고 있습니다. 이에 본 연구단은 플라즈마파 원리를 기반으로 세계 최초로 상온 실리콘 반도체 기반의 테라헤르츠파 발진-검출 소자 구현을 실현하고, 국가의 신성장원동력이 될 수 있는 세계적 원천 길목 특허를 확보하여 궁극적으로는 미개발 잠재 시장인 테라헤르츠 이미징, 분광 및 초고속/대용량 통신기술들을 바탕으로 미래 반도체시장을 이끄는 것”이 본 연구단의 비전임을 내비추었다.
온라인뉴스팀