비닐처럼 얇고 유연하면서도 뜨거운 열을 견딜 수 있는 차세대 고성능 통신 반도체 스위치가 개발됐다.게티이미지뱅크 제공
비닐처럼 얇고 유연하면서도 뜨거운 열을 견딜 수 있는 차세대 고성능 통신 반도체 스위치가 개발됐다.고온이나 쉴 새 없이 구부러지는 충격 등 가혹한 환경을 버텨야 하는 웨어러블 기기,포인트홀덤 조작자율주행차에서도 안정적인 5G·6G 통신을 가능하게 할 기술로 주목받고 있다.
울산과학기술원(UNIST)은 김명수 전기전자공학과 교수팀이 김민주 단국대 교수팀과 공동으로 고성능 유연 RF 스위치를 개발했다고 8일 밝혔다.RF 스위치는 신호 간섭을 막고 전력을 효율적으로 배분하는 통신 부품이다.
현재 상용화된 RF 스위치는 딱딱하고 접히면 금이 가기 쉬운 무기물을 기반으로 한다.기기의 접히지 않는 곳에 RF 스위치를 배치하면‘폴더블 휴대폰’은 만들 수 있지만 완전히 돌돌 말리거나 입을 수 있는 수준의 통신 기기를 만들 수 없었다.
연구팀은 특수 고분자 소재인‘pV3D3’를 이용해 유연한 RF 스위치를 개발했다.pV3D3는 3차원 그물망 구조라 열에 강하다.pV3D3를 머리카락보다 가는 금박 사이에 적층시켜 RF 스위치를 만들었다.전압이 가해지면 금박에서 빠져나온 이온이 이동하면서 전기가 흐르는 길이 만들어지고 전압 방향이 바뀌면 통로가 끊어지면서 전류가 차단되는 방식으로 작동한다.기계적 스위칭 없이 전류 흐름을 껐다가 켜는 '멤리스터 방식'이다.
연구팀이 개발한 RF 스위치는 비닐처럼 얇고 유연한 고분자를 기반으로 하고 내열성이 뛰어나다.무기물 RF 스위치와 맞먹는 통신 성능을 지녔다.일반적인 유기고분자 RF 소자는 유연하다는 장점이 있지만 열에 잘 녹고 무기물 RF 소자보다 통신 성능이 떨어진다.특히 5G·6G 대역에서 통신 성능 저하가 심하다.
실제 실험에서 연구팀이 개발한 RF 스위치는 128.7℃의 고온 환경에서도 10년 이상 데이터가 유지될 수 있는 수준의 안정성을 보였다.통신 성능 검증 실험에서는 5G와 6G 통신의 주요 주파수 대역인 밀리미터파(mmWave) 대역을 포함해 최대 5.38테라헤르츠(THz)까지 신호를 안정적으로 전달하고 차단할 수 있었다.5.38THz는 고분자 기반 스위치가 처리할 수 있는 주파수 대역 중 가장 넓은 범위로 현존하는 유기 고분자 스위치 중 최고 수준의 성능이다.
개발한 스위치는 3600회 이상 반복해서 굽혀도 성능 저하 없이 정상 작동해 탁월한 유연성을 보였다.
이번 연구에는 박성문·표창우 UNIST 연구원과 단국대학교 유지호 연구원이 제1저자로 참여했다.연구팀은 “기존 전자 소자가 가진 열적 불안정성과 고주파 성능 한계를 동시에 극복했다는 점에서 의미가 크다”고 설명했다.
김 교수는 “연구는 유연 소자가 열에 약하고 성능이 떨어진다는 편견을 깬 사례”라며 “향후 고온이나 굴곡진 환경에서도 작동해야 하는 차세대 웨어러블 통신 기기나 사물인터넷(IoT) 센서,포인트홀덤 조작자율주행차량의 통신 시스템에 폭넓게 적용될 수 있을 것”이라고 말했다.
연구 결과는 재료 과학 분야의 국제학술지‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 지난달 12일 게재됐다.
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