레이저 세기 25%로 줄인 테라헤르츠파 변조소자 개발 풍부한 태양광 사용으로 의료영상·무선통신 분야 원가절감 기대

레이저 세기 25%로 줄인 테라헤르츠파 변조소자 개발 풍부한 태양광 사용으로 의료영상·무선통신 분야 원가절감 기대

 

등록일 2016-12-09

 

 

 

레이저 세기 25%로 줄인 테라헤르츠파 변조소자 개발
- 풍부한 태양광 사용으로 의료영상·무선통신 분야 원가절감 기대 -
 
         
□ 한국연구재단(이사장 조무제)은 고도경 교수(광주과학기술원) 연구팀이 태양전지 소자인 페로브스카이트를 활용하여 무선통신의 원가절감을 도와줄 고효율 테라헤르츠파 변조기술을 개발했다고 밝혔다.

□ 테라헤르츠파는 초당 1,000억번 진동하는 물체를 투과하는 전자기파로 숨겨진 테러 물품을 찾아내거나 문화재 등을 복원하는 데 주로 사용된다. 특히 의료영상 및 무선통신 분야에서도 전자기파를 이용한 정보 전달 시 활용된다.
 o 위의 경우, 다양한 정보를 전달하기 위해 전자기파의 진폭을 변조하는 기술이 필요하다. 테라헤르츠파 진폭 변조 방법은 기계적 차폐,  전기적 제어, 레이저와 반도체를 활용한 광전도* 방식이 있다.
  * 광전도 : 반도체 등에 빛을 조사하면 전도대에 전자가 생성되어 전도율이 증가하는 현상을 말한다. 광전효과의 일종으로 내부 광전 효과라고도 불림.
 o 광전도 방식에 활용되는 변조 소자는 그래핀, 메타물질, 유·무기  화합물 등의 물질과 실리콘 반도체의 이중접합 구조로 주로 제작하며 높은 변조 효율을 가진다.

□ 페로브스카이트는 뛰어난 광흡수력과 광발전효과*를 가진다. 최근 제작이 용이하고 저비용 공정이 가능해져 태양전지의 대체 소자로 주목 받고 있다. 연구팀은 페로브스카이트의 장점인 효율적인 광전 특성과 제작의 용이성에 주목해, 테라헤르츠파 진폭 변조 소자 개발에 활용했다.
  * 광발전효과(photovoltaic) : 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜 주는 효과
□ 고도경 교수팀은 태양전지 소자인 페로브스카이트 소자를 활용해 페로브스카이트-실리콘 이중 접합 광소자를 제작했다.
 o 제작된 복합구조의 광소자는 기존 실리콘 소자에 비해 레이저의 동작 세기가 1/4 밖에 되지 않음에도 동일한 변조 효율을 보여 소자 작동에 필요한 전력량과 입력장치의 제조원가를 모두 절감할 수 있다. 
 o 테라헤르츠파 변조는 녹색 레이저광의 세기조절을 통해 효율적으로 이루어진다. 녹색 빛은 지구에서 이용가능한 자원 중 가장 풍부한 태양광의 구성성분 중, 가장 큰 비율을 차지한다.
 o 본 소자기술은 지구상 대표적 에너지원인 태양광을 이용한 광소자 개발의 원천기술을 확보하는 것에 의의가 있다.

□ 고도경 교수는 “이번 성과는 단일 반도체 구조보다 레이저 동작 세기가 1/4만큼 감소한 저전력 고효율 테라헤르츠파 변조기 개발 연구의 토대를 마련해준 것”이라며, “의료영상과 무선통신 등에 활용되어 기존  비용에 비해 원가절감이 대폭 이루어질 것으로 기대된다”고 연구의 의의를 밝혔다.

□ 한국연구재단에서 지원한 방사선기술개발사업(미래창조과학부 소관사업)의 지원을 통해 거둔 이번 연구성과는 세계 3대 학술지 Nature 자매지인 ‘사이언티픽 리포츠(Scientific Reports)’에 11월 24일자로   게재되었다.

<참고자료> : 1. 논문의 주요내용
             2. 연구결과 개요
             3. 연구이야기
             4. 용어설명
             5. 그림설명

논문의 주요 내용

□ 논문명, 저자정보

   - 논문명 : All-optical THz wave switching based on CH3NH3PbI3 perovskites
   - 저자 정보 : 고도경 (교신저자, 광주과학기술원), 이규섭(제1저자, 광주과학기술원), 강리라(공동저자, 한국원자력연구원), 손병우(공동저자, 광주과학기술원), 김동유(공동저자, 광주과학기술원), 유난이(공동저자, 광주과학기술원)

□ 논문의 주요 내용

 1. 연구의 필요성
   ○ 주파수가 1초에 1조번 진동하는 테라헤르츠(terahertz, THz)파의 기술 개발이 지난 30년간 활발히 이루어져 왔다. 특히, 레이저 기반의 발생기 및 검출기 기술 개발과 더불어 이를 활용한 영상/센싱 및 분광기술의 발전을 통해 의료, 보안, 검역, 물질관리, 통신 등 많은 분야에서 테라헤르츠파의 쓰임이 증가되는 추세이다.
   ○ 하지만, 실 응용분야에 적용가능한 테라헤르츠파의 세기 및 주파수 성분의 변조를 위한 어테뉴에이터(attenuator), 필터, 모듈레이터, 스위치 등의 변조소자는 아직 기술개발이 미흡하다는 평이다. 특히, 통신 및 영상기술에서 진폭 변조를 통한 정보전달이 필수적이며 그에 따른 변조기의 필요성이 대두되고 있다.
 
 2. 발견 원리
  ○ 테라헤르츠파 주파수대역에서 작동하는 진폭 변조소자는 기계적 차폐, 전기적 및 광학적 제어 방법들이 개발되어왔다. 특히, 레이저를 이용한 반도체 기반의 광전도 방식의 능동 변조소자 개발이 활발히 이루어지고 있다.
  ○ 본 연구팀은 최근 태양전지 소자로 높은 효율을 보이며 제작이 용이해 기존의 반도체 및 유기물질 기반 소자의 대체물질로 각광받고 있는 페로브스카이트(perovskite) 물질에 관심을 가져왔다. 페로브스카이트의 뛰어난 광흡수와 광발전효과(photovoltaic)를 이용해, 테라헤르츠파 대역에서 작동하는 높은 효율의 변조기 개발이 가능할 것으로 판단하였다.
 
 3. 연구 성과
   ○ 본 연구에서는 제작이 간편하고 저비용 공정인 솔루션 공정법을 이용하여 페로브스카이트와 실리콘 이중접합 구조의 광소자를 제작하고 연속파 레이저를 조사하여 테라헤르츠파 대역에서 작동하는 진폭 변조소자를 개발하였다.
   ○  특히 세가지 공정방식에 따른 페로브스카이트-실리콘 복합소자의 테라헤르츠 주파수 대역에서 광 및 전자적 특성을 이론적인 계산을 통해 비교 분석하였다. 이를 통해, 테라헤르츠파 변조소자로서의 뛰어난 안정성과 높은 변조효율을 가지는 페로브스카이트 공정방식을 제안하였다.
   ○ 제작된 복합구조의 광소자는 기존의 실리콘 단일 물질에 비해 약 1/4배의 낮은 레이저 동작 세기에서 동일한 변조효율 특성을 나타냈다. 이는 저전력 테라헤르츠 능동형 변조 소자개발의 실험적 기초를 마련한 것으로, 통신 및 영상기술에서 활용 가능할 것으로 기대된다.
   ○ 태양전지로의 활용뿐만 아니라 능동형 광전소자로서 페로브스카이트의 쓰임이 확대되어 산업적 응용가능성이 확대했다는 데 의의가 크다.

연 구 결 과  개 요

 1. 연구배경
  ㅇ 테라헤르츠파는 1초에 1조번 진동하는 파(1 THz=1012 Hz)로 원적외선과 전자파 사이에 위치하며 그 파장은 약 수백 ㎛에 해당한다(1 THz⇔300 ㎛). 전파보다 파장이 짧아 고해상도의 투과 이미지를 얻을 수 있고 엑스레이 등에 비해 인체에 무해하다는 특성으로 인해, 공항보안검색, 의료영상, 품질관리 분야 등에 활용되고 있다. 또한, 분자내 특정 성분에 반응하는 finger print 분광 특성으로 인해, 마약탐지, 가스센싱, 물질분석 등에 활용되고 있다. 뿐만 아니라, 기존 통신파장대인 밀리미터파보다 전송속도가 월등히 향상된(약 10 Gbps 이상) 근거리 무선통신으로의 활용이 기대된다.
  ㅇ 현재까지 테라헤르츠파 기술은 발생기 및 검출기 개발이 주로 이루어져 왔다. 지난 30년간 테라헤르츠파 발생 및 측정은 열적 소자 기반과 비선형 결정 및 광전도 안테나를 이용한 레이저 기반 기술 등이 높은 효율을 보이며 활발히 개발되었다. 이에 기반을 둔 테라헤르츠파 영상/센싱 및 분광기술 개발도 활발히 이루어져 왔다. 그에 반해, 테라헤르츠파 감쇠기(attenuator), 필터, 스위치 등의 변조소자의 개발은 다소 뒤쳐지는 것으로 보여 지고 있다. 테라헤르츠파를 활용한 통신 및 영상기술에서는 전자기파에 정보를 부가하기 위해 그 진폭을 변조하는 기술이 요망된다.
  ㅇ 테라헤르츠파 진폭 변조는 기계적 차폐, 전기적 제어, 그리고 레이저와 반도체를 활용한 광전도 방식을 통해 이루어지고 있다. 특히, 레이저를 이용한 변조 소자 개발은, 초기에 실리콘 등의 반도체 단일물질을 통해 이루어졌으며, 최근 들어 그래핀, 메타물질 및 유기-무기 화합물 등의 물질과 실리콘 반도체의 이중접합 구조를 활용해 높은 변조효율을 가지는 테라헤르츠파 변조소자를 개발해왔다.
  ㅇ 유기-무기 화합물 형태의 페로브스카이트(perovskite) 물질이 뛰어난 광흡수 및 광발전(photovoltaic)특성을 보이고 제작공정이 간단하여 기존 태양전지 소자인 반도체 및 유기물 기반 소자의 대체물질로 각광받고 있다. 연구진은 페로브스카이트의 높은 광전특성에 착안하여, 테라헤르츠파 변조소자로의 가능성을 확인하고자 하였다. 소자 내 흡수가 높은 파장대인 가시광 레이저를 이용한, 능동적 테라헤르츠파 진폭변조기술을 개발이 가능할 것으로 판단되었다.

 2. 연구내용
  ㅇ 최근 들어 제작 과정이 용이한 솔루션 공정방법을 통해 유기-무기 화합물 형태의 페로브스카이트(perovskite) 물질 합성 기술개발이 활발히 이루어져 왔다. 특히, methylammonium lead halide perovskites (MAPbX3, where X = I, Cl, and Br) 물질은 태양전지 소자로서 높은 광전 변환효율을 보이며 최근에 20.5% 까지 실험적으로 개발되었으며 약 30%대까지 변환효율이 예상된다.
  ㅇ 이와 같이 높은 광전 변환효율과 제작의 용이함에 착안해 테라헤르츠파 주파수 대역에서 동작하는 전자 소자로의 활용을 제안하였다. 소자내 흡수가 높은 가시광 파장대의 연속파 레이저를 이용해, 능동적 테라헤르츠파 진폭 변조 기술을 개발하였다. 
  ㅇ 실리콘과 페로브스카이트의 이중 접합구조를 공정하고, 녹색 연속파 레이저를 소자에 조사하였다. 인가하는 레이저의 세기가 증가함에 따라, 소자내 생성되는 자유전자의 수가 많아지고, 이로 인한 테라헤르츠파의 투과 특성이 변화한다. 따라서, 레이저를 세기를 제어함으로써 테라헤르츠파 진폭 변조를 가능케 하며, 약 70%까지의 테라헤르츠파 진폭변조를 보이는 능동형 테라헤르츠 페로브스카이트 광전자소자를 실현하였다. 또한, 단일 실리콘 소자에 비해, 레이저의 동작 세기가 약 1/4에 지나지 않아 저전력 테라헤르츠 변조소자로의 활용이 기대된다.
  ㅇ 공동 연구팀의 김동유 교수팀은 다양한 공정방식을 적용한 페로브스카이트 소자개발 연구를 통해, 다양한 공정방식을 제안하였다. 그에 따라, 본 연구팀은 실리콘-페로브스카이트 이중접합 구조를 디자인하고, 공동 연구팀에 의해 제작된 3가지 공정방식에 의한 복합구조 소자의 테라헤르츠파 변조특성을 비교분석하였다. 그중에서 한가지 1-step 공정방식에 의한 소자가 가장 높은 변환효율을 보였으며, 이를 활용해 뛰어난 안정성을 가진 고효율의 테라헤르츠파 변조소자로의 활용이 전망된다.

3. 기대효과
  ㅇ 본 연구를 통해 개발된 능동적 테라헤르츠파 진폭변조 소자는 의료, 산업, 물질 분석 영상 및 센싱에 활용될 것으로 전망된다. 또한, 현재 통신에 사용되는 기가헤르츠파보다 약 1000배 빠른 전송속도를 가지는 테라헤르츠파의 변조기로서의 실험적 기초를 마련하여 차세대 근거리 무선통신의 구현을 가능케 한다.
  ㅇ 또한, 최근 높은 효율을 보이는 태양전지 소자로 각광받는 페로브스카이트 물질의 광전소자로서의 또 다른 기술의 실험적 기초를 마련하여, 산업적 광전자소자의 다양한 응용을 제안하였다.

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

테라헤르츠파는 전자파의 투과특성과 광파의 분광특성을 동시에 지니며 인체에 무해한 장점을 가져, 의료영상, 보안, 검색, 통신 등 많은 분야에서 활용이 증가하고 있다. 이에 본 연구팀은 테라헤르츠파 발생 및 검출 기술과 분광기술 개발을 진행해왔다. 또한, 공동연구진이 태양전지로 활용이 높은 페로브스카이트 제작기술을 보유함을 알제 되어 이 소자를 테라헤르츠파 주파수 대역에서 작동하는 능동형 광변조소자로의 활용가능성을 모색하게 되었다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

유기-무기 화합물 형태의 페로브스카이트는 최근 들어 솔루션 공정방식의 제작의 용이성과 저비용의 장점을 통해 태양전지의 대체 소자로 각광받고 있다. 본 연구팀은 이러한 결과를 레이저 기반의 능동형 테라헤르츠파 진폭변조 소자 개발에 접목시키는 연구를 진행하였다. 세 가지 다른 방식을 통해 페로브스카이트-실리콘 이중접합 구조의 소자를 제작하여, 실험적으로 광 및 전자적 특성을 관측하였고 이론적 모델을 통해 비교분석 하였다. 이를 통해, 테라헤르츠파 변조소자로서 높은 효율과 뛰어난 안정성을 보이는 공정방식을 제안하였다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

  다양한 솔루션 공정방식을 통해 제작된 능동형 변조소자의 광 및 전자적 특성을 밝히는 기초연구를 수행하였으나 초기에는 실험단계에서 제작된 소자의 분광특성을 측정하는데 어려움이 있었다. 이를 극복하기 위해 공정방식 단계에서 다양한 물질을 접합시키고 레이저의 동작세기를 소자의 특성에 맞추는 노력이 이루어졌다.
  또한 테라헤르츠 변조 소자의 특성을 설명하기 위해서는 소재의 광학적 상수들에 대한 값을 측정하고 다른 연구 결과와 비교 분석이 필수적인데, 기존에 보고된 테라헤르츠파 변조 소자의 광 및 전자적 특성을 유추하는 방식은 본 연구팀이 측정한 결과에 적용할 수 없었다.  이에 기존의 분석방식을 채택하는 대신에 시간-주파수 분광데이터(time-frequency spectrogram) 결과를 이용하여 기존방식에 비해 보다 더 원리적이고 근본적인 해석 방법을 고안함으로써, 테라헤르츠 대역에서 유효하며 더욱 정확한 소자의 광 특성을 분석해 낼 수 있었다. 이로써 테라헤르츠파 주파수 영역에서 소자별 특성의 차이를 명확히 관찰할 수 있었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

본 연구를 통해 제작된 페로브스카이트-실리콘 복합소자는 기존에 보고된 실리콘 단일 물질 기반의 소자보다 약 1/4의 낮은 레이저 동작 세기에서 동일한 변조효율을 보인다. 또한, 공정방식에 따른 비교연구를 통해, 고효율의 뛰어난 안정성을 가지는 광변조 소자를 제시한 것에 의의가 있다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?

페로브스카이트의 광변조 소자로서의 가능성을 확인한 연구로, 관련 기술을 더욱 발전시켜 보다 낮은 레이저 동작 세기에서 고효율을 보이는 소자개발을 이루고자 한다. 이를 통해, 통신, 영상, 의료, 물질 관리 등 많은 산업적 및 학문적 분야에서 활용 가능한 테라헤르츠파 변조 소자의 기술개발에 실질적인 기여가 되기를 전망한다.

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

페로브스카이트 소자는 습도에 민감하게 반응하여 우리나라와 같이 무더운 여름철에는 소자 제작이 어렵게 된다. 최초 실험 아이디어를 내고 소자제작이 가능한 공동연구팀과 첫 논의를 가졌을 때가  올해 3월이었으며, 이는 이미 습한 여름이 다가오기 전 까지 약 3개월이 채 남지 않은 시기였다. 더불어, 공동연구자의 출산이 임박한 상황이어서, “실험기간”이 우리 공동연구팀의 가장 큰 숙제였다. 약 1개월 동안 다양한 소자 형태로 공정 및 제작을 하였고, 소자 공정을 하자마자 진공포장을 통해 손실 없이 광학 실험실로 옮겨와 곧바로 실험을 진행하였다. 4월말 어느 날 아침에, 공동연구자로부터 출산으로 인해 소자 공정 종료를 알려온 메시지를 받은 순간은, 마침 실험 경향성을 최종적으로 확인한 다음에 온 것이어서 안도가 되는 순간이었다. 만약 그분이 일주일 일찍 출산을 하게 되었다면, 이 실험은 가을을 기다리는 안타까운 상황이 될 뻔했음을 생각하면서, 다시 한 번 임신 기간 중에도 공동연구를 위해 최선을 다해준 공동연구자 및 연구팀에게 감사의 마음을 전한다.

용 어 설 명

1. 테라헤르츠 (terahertz)
  ○ 1테라헤르츠는 1초에 1조(1012)번 진동하는 전자기파의 주파수

2. 광발전 (photovoltaic)
  ○ 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜 주는 기술

3. 페로브스카이트 (perovskite)
  ○ 러시아 우랄산맥에서 처음 발견된 광물로 큐빅형태의 구조체로 정육면체 단위격자의 꼭짓점에 큰 양이온이 있고, 가운데 작은 양이온이, 각 면 중앙에 음이온이 존재하는 구조이며, 노란색, 붉은색, 갈색 및 검은색으로 다양한 색을 뛰는 구조체
  ○ 광발전을 위한 이상적인 구조로서 생산도 쉽고 제조단가도 저렴해 실리콘 기반의 태양전지 소재를 대체하는 소재로 각광받고 있으며, 최근 20%에 이르는 높은 에너지 변환효율을 보이는 소자

4. 광전변환효율
  ○ 태양전지의 광발전 에너지 변환효율로서, 태양광 및 조사하는 레이저 광의 입력대비 전기적 에너지 출력의 비율

5. 변조기 (modulator)
  ○ 입사하는 전자기파 또는 입력 전기적 신호의 진폭 또는 위상을 변화시켜 출력하는 기능을 가진 소자

6. 레이저 동작 세기
  ○ 광전소자의 전자특성을 변화시키기 위해 조사하는 레이저의 세기

그 림 설 명

(그림 1) 페로브스카이트-실리콘 이중접합 구조기반 테라헤르츠 변조특성 검출 시스템
펨토초 레이저 기반의 테라헤르츠파 분광시스템에 녹색 연속파 레이저를 변조소자에 조사하는 형태의 실험 구상도. ZnTe 기반의 광대역 테라헤르츠파(0.2-2THz) 발생 및 검출과 2쌍의 off-axis parabolic mirror 및 TPX lens를 통한 테라헤르츠 빔 가이드. 레이저 동작 세기에 따라 페로브스카이트-실리콘 복합구조에서 테라헤르츠파의 투과 진폭을 조절함.

(그림 2) 솔루션 공정방식을 통해 제작된 페로브스카이트 소재
사용된 3가지 공정방식별 (CHP, CBdrp, IFF) scanning microscope 페로브스카이트 표면 이미지와 그에 따른 external quantum efficiency. 약 532 nm 파장대에서 높은 external quantum efficiency를 보여줌.

(그림 3) 페로브스카이트-실리콘 복합구조 기반 테라헤르츠파 변조 특성
CHP 공정방식에서의 (a) 테라헤르츠 파형 변조 특성 및 (b) 테라헤르츠파 스펙트럼 변조 특성. (c) 공정방식별 레이저 동작 세기에 따른 변조효율. 조사하는 레이저의 세기에 따라 테라헤르츠파의 진폭변조가 변화하였고, 높은 세기일수록 변조폭이 증가함. 공정방식별 진폭변조 효율은 CHP 및 IFF 공정 방식에서 높게 관측이 되며, 약 70%의 높은 변조효율을 나타냄.