반도체 잉크 발라 6G·우주통신용 고주파 스위치 만든다

[파이낸셜뉴스] 잉크 상태의 원료를 기판에 발라 만든 이차원 반도체 박막을 기반으로 하는 통신용 반도체 소자가 새롭게 개발됐다.

울산과학기술원(UNIST) 전기전자공학과 김명수 교수팀은 용액공정으로 만든 이황화몰리브덴(MoS₂) 박막을 이용해 67기가헤르츠(GHz) 대역까지 작동하는 저전력·고성능 고주파 스위치를 개발했다고 22일 밝혔다.

RF(고주파) 스위치는 스마트폰, 위성통신, 레이더, 무선기지국, 자율주행 통신 장비 등에서 고주파 신호의 흐름을 연결하거나 차단하는 필수 반도체 소자다. 특히 6G와 우주통신처럼 많은 안테나와 주파수 채널을 동시에 사용하는 시스템에서는 낮은 삽입손실과 높은 절연 성능, 낮은 소비전력의 3박자를 갖춘 스위치가 필요하다.

연구팀이 개발한 스위치는 병렬형 구조에서 67GHz 기준 삽입손실 0.1데시벨(dB) 미만, 절연도 35dB 이상의 성능을 기록했다. 1초에 670억 번 진동하는 고주파 신호가 들어왔을 때 입력 신호의 약 98%를 거의 손실 없이 통과시키고, 스위치를 껐을 때 새는 신호는 0.03% 이하로 억제했다는 의미다. 6G와 위성통신에 쓰이는 밀리미터파 대역에서도 낮은 삽입손실과 높은 절연 성능을 동시에 유지한 것이다.

신호의 통과와 차단 성능을 종합한 지표인 작동 저항과 차단 정전용량의 곱도 약 0.8펨토초로, 1펨토초보다 작은 '서브 펨토초급' 성능을 달성했다. 스위치를 켜거나 끈 상태를 유지하기 위한 대기전력 소모도 없다. 이 스위치는 이황화몰리브덴 반도체 박막을 금속 전극 사이에 넣은 구조로, 전원을 꺼도 이미 만들어진 통로가 유지되기 때문이다.

특히 스위치에 들어간 이황화몰리브덴 박막은 용액공정으로 만들어져 제조가 간단하고 넓은 면적에 적용하기도 쉽다는 설명이다. 용액공정은 반도체 소재를 액체 상태로 만든 뒤 기판에 직접 바르는 방식으로, 박막을 별도로 성장시켜 떼어 옮기는 복잡한 전사 과정이 필요 없다.

일반적으로 용액공정에서는 황 원자 자리가 비는 결함이 발생하기 쉬운데, 반도체 스위치에서는 이 황 빈자리가 구리 이온의 이동 경로를 일정하게 잡아주는 역할을 해 오히려 내구성을 향상시키는 것으로 분석됐다. 실제 기계적으로 떼어낸 이황화몰리브덴 박막으로 만든 스위치는 반복 작동 수명이 약 100회에 그쳤지만, 용액공정 박막을 쓴 스위치는 2000회 반복 작동에도 성능을 유지했다.

김명수 교수는 "복잡한 전사 공정이 필요 없는 용액공정 제조 이차원 반도체 물질로, 밀리미터파 대역에서도 신호 손실은 낮고 차단 성능은 높은 RF 스위치를 개발했다"며 "전원을 꺼도 스위치 상태가 유지돼 대기전력이 들지 않는 만큼, 6G와 위성통신, 레이더, 방산용 전파 제어 시스템을 더 작고 에너지 효율적으로 만드는 데 활용할 수 있을 것"이라고 설명했다.

연구 결과는 세계적 학술지 '네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 6월 18일 온라인 공개됐다.

jiany@fnnews.com 연지안 기자