UNIST '반도체 잉크'로 6G·우주통신용 초고주파 스위치 개발

[울산=뉴시스] 구미현 기자 = 국내 연구진이 잉크처럼 액체 상태의 반도체 원료를 기판에 바르는 용액공정으로 제작한 이차원 반도체 박막을 활용해 6G와 우주통신에 필요한 초고주파(RF) 스위치를 개발했다. 기존 공정보다 제작이 간편하면서도 67기가헤르츠(GHz) 대역에서 세계적 수준의 저손실·고절연 성능과 높은 내구성을 구현해 차세대 통신·방산 분야 핵심 기술로 활용될 전망이다.

울산과학기술원(UNIST)은 전기전자공학과 김명수 교수 연구팀이 용액공정으로 제작한 이황화몰리브덴(MoS₂) 박막을 이용해 67GHz 대역까지 안정적으로 작동하는 저전력·고성능 RF(고주파) 스위치를 개발했다고 22일 밝혔다.

RF 스위치는 스마트폰과 위성통신, 레이더, 무선기지국, 자율주행 통신장비 등에서 고주파 신호의 흐름을 연결하거나 차단하는 핵심 반도체 소자다. 특히 6G와 우주통신처럼 다수의 안테나와 주파수 채널을 동시에 활용하는 환경에서는 신호 손실은 낮고 절연 성능은 높으며 소비전력은 적은 스위치가 필수적이다.

연구팀이 개발한 스위치는 병렬형 구조에서 67GHz 기준 삽입손실 0.1dB 미만, 절연도 35dB 이상의 성능을 기록했다. 이는 입력된 고주파 신호의 약 98%를 거의 손실 없이 전달하고, 스위치를 끈 상태에서는 신호 누설을 0.03% 이하로 억제하는 수준이다.

또 신호 통과와 차단 성능을 종합적으로 평가하는 작동 저항과 차단 정전용량의 곱(RC)은 약 0.8펨토초(fs)를 기록해 1펨토초보다 작은 '서브 펨토초급' 성능도 달성했다. 고주파일수록 신호 손실과 누설이 증가하는 한계를 극복하고, 6G와 위성통신에 활용되는 밀리미터파 대역에서도 우수한 성능을 입증한 것이다.

이번 연구의 또 다른 특징은 제조 방식이다. 스위치에 적용된 이황화몰리브덴 박막은 용액공정으로 제작돼 기존 방식보다 공정이 단순하고 대면적 생산에도 유리하다.

연구팀은 일반적으로 용액공정에서 단점으로 여겨졌던 황 원자의 빈자리 결함이 오히려 스위치 내에서 구리 이온의 이동 경로를 안정적으로 형성해 내구성을 높인다는 점도 확인했다.

실제로 기계적으로 떼어낸 이황화몰리브덴 박막을 사용한 스위치는 반복 작동 수명이 약 100회 수준에 그쳤지만, 용액공정으로 제작한 박막을 적용한 스위치는 2000회 이상 반복 작동 후에도 성능을 유지했다.

연구팀은 이번 성과가 용액공정 기반 이차원 반도체 박막이 단순히 저비용 소재를 넘어 밀리미터파 대역의 고성능 RF 스위치와 위상제어 회로 구현에도 활용될 수 있음을 입증한 사례라고 설명했다.

김명수 UNIST 전기전자공학과 교수는 "이번에 개발한 스위치는 전원을 꺼도 상태가 유지되는 비휘발성 특성을 가져 대기전력이 발생하지 않는다"며 "6G와 위성통신, 레이더, 방산용 전파 제어 시스템을 더욱 소형화하고 에너지 효율을 높이는 핵심 기술로 활용될 수 있을 것"이라고 말했다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단과 정보통신기획평가원(IITP)의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 성과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 게재됐다.

◎공감언론 뉴시스 gorgeouskoo@newsis.com ...