“6G·위성통신 뜬다”…UNIST, 대기전력 ‘제로’ 고주파 반도체 스위치 개발

김명수 UNIST 교수팀, 복잡한 전사 공정 없앤 차세대 고주파 스위치 개발
전원 꺼도 상태 유지하는 ‘비휘발성’ 확보…위성통신·레이더 소형화 기여

용액공정 제조 이황화몰리브덴 기반의 비휘발성 RF 스위치의 구조와 성능. 연구그림=UNIST

잉크 상태의 원료를 기판에 발라 만드는 용액공정을 통해 6G 및 위성통신에 필수적인 저전력·고성능 통신용 반도체 소자가 새롭게 개발됐다.

울산과학기술원(UNIST)는 전기전자공학과 김명수 교수 연구팀이 용액공정으로 만든 이황화몰리브덴(MoS₂) 박막을 이용해 67기가헤르츠(㎓) 대역까지 작동하는 고주파(RF) 스위치를 개발했다고 22일 밝혔다.

RF 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 소비전력을 모두 갖춘 스위치가 요구된다.

연구팀이 개발한 스위치는 고주파 대역에서도 뛰어난 종합 성능을 입증했다. 병렬형 구조에서 67㎓ 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 통과시켰으며, 스위치를 껐을 때 새는 신호는 0.03% 이하로 억제했다. 신호의 통과와 차단 성능을 종합한 지표인 작동 저항과 차단 정전용량의 곱이 약 0.8펨토초를 기록해 1펨토초보다 작은 ‘서브 펨토초급’을 달성했다.

특히 이 스위치는 전원을 꺼도 설정된 상태를 유지하는 ‘비휘발성’ 특성을 지녀 대기전력 소모가 전혀 없다. 이황화몰리브덴 박막을 금속 전극 사이에 넣은 구조로, 전압을 가하면 구리 전극에서 나온 구리 이온이 전도성 통로를 형성해 스위치를 켜는 원리다. 전원을 차단해도 이미 만들어진 통로가 유지되기 때문에 신호 경로를 바꿀 때만 전력을 소모한다.

제조 공정의 혁신도 이뤄냈다. 액체 상태의 반도체 소재를 기판에 직접 바르는 스핀코팅 방식의 용액공정을 적용해 제조가 간단하고 대면적화에 유리하다. 박막을 따로 성장시켜 옮기는 복잡한 전사 과정도 필요 없다. 더욱이 용액공정 시 발생하기 쉬운 ‘황 원자 빈자리(결함)’가 오히려 구리 이온의 이동 경로 역할을 하면서 내구성이 대폭 향상됐다. 기존 기계적 방식으로 떼어낸 박막 스위치의 수명이 약 100회에 그친 반면, 새롭게 개발된 스위치는 2000회 반복 작동에도 성능을 유지했다.

연구팀은 개발한 스위치를 실제 RF 회로에 적용해 안테나를 송수신기에 번갈아 연결하는 ‘단극쌍투형(SPDT) 스위치’와 전파의 방향을 빠르게 바꾸는 ‘위상변위기’를 성공적으로 제작해 성능을 검증했다.

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.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단, 정보통신기획평가원의 우수신진연구 등의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 세계적인 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 6월 18일자로 온라인 공개됐다.

울산=장지승 기자 jjs@sedaily.com