 전파 및 전자기의 안정성 높인 기술
IT시대의 기술향상 앞당긴다
찰나의 순간을 다투는 IT시대에 안정적인 전파 및 전자기 연결은 점점 더 중요해지고 있다. 이를 실현해줄 사인곡선 무늬 및 나노와이어 응용기술이 개발돼 화제다.
정리 김경한 기자 | 자료 KAIST, UNIST
UNIST 전기전자컴퓨터공학부의 변영재 교수팀은 직사각형 위에 사인곡선 무늬를 새김으로써 특정 주파수의 전파가 금속을 통과하는 현상을 발견했다. 이를 통해 금속벽으로 막힌 승강기 등에서도 안정적으로 전파를 통과시키는 기술을 개발할 수 있을 것으로 기대된다.
KAIST 전기및전자공학부 서민호 박사·윤준보 교수 연구팀이 나노와이어를 유연 기판에 무작위로 뿌리는 화학적 합성법으로 인한 전자소자들의 불균형성을 해결하는 획기적인 방법을 개발했다. 이번 연구 성과는 고성능 유연 전자 소자의 안정성 연구에 기여할 것으로 여겨지고 있다.
금속 환경서 무선 통신 가능한‘ 사인곡선 무늬’
승강기를 타면 종종 전화가 끊기는 현상이 발생한다. 통신에 필요한 전파를 금속이 가로막기 때문이다. 이 문제는 보통 승강기에 중계기를 달아서 해결하는데, 더 간편한 방법이 등장할 전망이다.
UNIST(총장 정무영) 전기전자컴퓨터공학부의 변영재 교수팀은 ‘평면에 무늬를 새겨 넣는 것만으로 금속 통신이 가능하다’는 사실을 발견했다. 금속에 전파를 통과시키는 ‘전자기 유도 투과(Electromagnetically induced transparency, EIT)’의 새로운 방식으로 주목받고 있다.
전자기 유도 투과는 물질을 이루는 원자에 빛(전파 포함)을 쏘거나 다른 방식으로 영향을 줘서, 특정 파장을 통과시키는 걸 말한다. 그 파장에게만 물질이 투명해지도록 만드는 것이다. 일반적으로 금속은 전파를 흡수하거나 반사시키기 때문에 전파를 통과시키지 못하지만, 전자기 유도 투과 기술을 쓰면 특정한 파장은 통과시킬 수 있다.
그런데 금속 통신을 위해 전자기 유도 투과 기술을 쓰기는 어려웠다. 이 기술이 제대로 구현되려면 극저온 환경이거나 빛의 세기를 조절하는 고강도 광학 펌프 같은 정교한 장치가 필요했기 때문이다.
 [그림 1] 금속에 전파를 통과시키는 역할을 하는 무늬의 모습 : 직사각형 속 사인곡선 무늬가 반복된다.
 [그림 2] 절연체 위에 사인곡선 무늬를 새긴 후의 실험결과(오른쪽) 위쪽은 절연체 위에 무늬를 그려넣은 평면의 실물이고, 그래프는 이 판을 가운데에 두고 신호를 주고받은 실험 결과다. 2.4기가헤르츠(㎓) 대역의 파장이 금속을 잘 통과하는 결과를 보여준다. (왼쪽) 평면에 새겨넣은 사인곡선 무늬.
변영재 교수팀은 극저온 환경이나 복잡한 장치 없이도 전자기 유도 투과가 가능한 방법을 찾아냈다. 절연체 위에 ‘직사각형 속 사인곡선이 반복되는 무늬’를 새기자 특정 주파수의 전파가 금속을 통과하는 걸 발견한 것이다. 무늬의 크기나 배치를 바꾸면 통과하는 주파수 범위도 조절할 수 있었다.
이번 연구에 제1저자로 참여한 자간나트 말릭(Jagannath Malik) 박사는 “사인곡선 모양의 무늬를 이용해 전자기 유도 투과에 성공한 사례는 최초”라며 “규칙적으로 그려진 똑같은 무늬에 전파 에너지가 갇혔다가 금속을 통과하게 된다”고 설명했다.
직사각형 속에 만들어진 사인곡선 무늬는 전파를 잠깐 동안 잡아두게 되는데, 이때 에너지가 모이면서 금속 사이를 통과할 수 있게 된다. 무늬의 크기나 형태를 달리할 때마다 투과시키는 파장이 달라진다는 것도 이번 연구에서 밝혀졌다.
이번 연구로 밝혀낸 현상을 정확하게 제어하면 저속파 구조, 저손실 및 향상된 방사 억제 장치 등으로 응용할 수 있을 것으로 보인다.
변영재 교수는 “현재 개념은 평면에 새긴 무늬로 전파를 투과시킬 수 있는 메타 물질을 이해하고 연구하는 데 도움이 될 것”이라며 “사인곡선 무늬의 형태와 크기에 따른 정확한 주파수 범위를 연구하면 전파 손실을 줄이면서 금속 통신하는 등 다양한 분야로 응용할 수 있다”고 밝혔다.
이번 연구결과는 미국물리협회에서 발간하는 국제적 권위의 학술지 ‘어플라이드 피직스 레터(Applied Physics Letter)’ 최신호에 실렸다.
완벽한 정렬로 나노와이어 옮기는
고성능 유연 전자소자 개발
KAIST 전기및전자공학부 서민호 박사·윤준보 교수 연구팀이 완벽하게 정렬된 나노와이어 다발을 대면적의 유연 기판에 옮기는 데 성공했다.
대표적 나노 물질인 나노와이어는 작고 가볍다는 구조적 장점과 우수한 물리적·화학적 특성 덕분에 소형 및 유연 전자 소자에 사용될 수 있다. 기존 나노와이어 전자 소자 제작은 화학적 합성법으로 제조된 나노와이어를 용액에 섞어 유연 기판에 무작위로 뿌리는 방식을 활용했다. 이로 인해 같은 방법을 사용해도 제작된 전자 소자들의 특성이 매우 다르다는 불균일성 문제가 있었다.
 [그림 3] 개발된 나노와이어 전사 (transfer) 방법의 전체
: ( a ) 제 작 과정과 (b) 주요 과정의 상세 원리
 [그림4] 개발된 방법으로 제작된 유연 기판 상에 정렬된 나노와이어들(a) 금 (Au), (c) 구리 (Cu), (d) 백금 (Pt), (e) 산화 구리 (Cu2O) 나노와이어. (b) 금 나노와이어의 단면 그림.
연구팀은 문제 해결을 위해 기계식 접촉력 조절 원리를 활용하는 나노와이어 전사 기술을 개발했다.
이 기술은 전사의 모체(master mold)가 되는 나노그레이팅 기판(nanograting substrate)에 나노희생 층(nanosacrificial layer)과 나노와이어를 순차적으로 형성한 후, 나노희생 층을 건식 식각 공정을 통해 구조적으로 약하게 만든다. 나노희생 층은 나노와이어와 모체를 매우 약하게 연결하고 있기 때문에 이후 유연 기판이 되는 재료를 이용하면 마치 테이프를 이용해 바닥의 먼지를 떼어내듯 나노와이어를 쉽게 모체에서 유연기판으로 옮길 수 있다.
이 기술은 일반적인 물리적 증착법을 기반으로 제작되고 재료 의존성이 낮기 때문에 손쉽게 나노와이어를 유연 기판에 제작할 수 있다. 연구팀은 개발한 기술을 이용해 금, 백금, 구리 등 다양한 금속 나노와이어와 결정화된 금속 산화물을 유연 기판 위에 완벽하게 정렬해 제작했다.
또한 이를 유연 히터와 가스 센서 소자에 응용함으로써 실제 생활에 사용될 수 있는 안정적인 응용 소자를 구현할 수 있음을 증명했다.
서민호 박사는 “우수한 물성의 다양한 금속, 반도체 나노와이어를 웨이퍼 수준으로 완벽 정렬해 유연 기판에 옮기고 이를 소자 제작에 응용했다”며 “다양한 나노와이어 재료의 유연 기판 위 제작을 위한 플랫폼 기술로 고성능 유연 전자 소자의 안정적 개발에 기여할 것이다”고 말했다.
이번 연구는 나노 과학 및 공학 분야 국제 학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’ 5월 24일자에 게재됐다.
<Energy News>
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