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극저온일수록 강력한 초고속 반도체 소자 개발
KAIST 연구진이 초고속 구동이 가능하고 온도가 낮아질수록 성능이 더욱 향상되어 고주파수 대역 및 극저온에서의 활용 가능성이 기대되는 고성능 2차원 반도체 소자 개발에 성공하였다.
전기및전자공학부 이가영 교수 연구팀이 실리콘의 전자 이동도와 포화 속도*를 2배 이상 뛰어넘는 2차원 나노 반도체 인듐 셀레나이드(InSe)** 기반 고이동도, 초고속 소자를 개발했다고 20일 밝혔다.
*포화 속도(Saturation velocity): 반도체 물질 내에서 전자나 정공이 움직일 수 있는 최대 속도를 가리킴. 포화 속도는 포화 전류량 및 차단 주파수(Cutoff frequency) 등을 결정하며 반도체의 전기적 특성을 평가할 수 있는 핵심 지표 중 하나임.
**인듐 셀레나이드(InSe): 인듐과 셀레늄으로 이루어진 무기 화합물로 2차원 층간 반데르발스 결합을 이루고 있음
연구진은 고이동도 인듐 셀레나이드에서의 2.0×107 cm/s를 초과하는 우수한 상온 전자 포화 속도 값을 달성하였는데, 이는 실리콘과 다른 유효한 밴드갭을 지니는 타 2차원 반도체들의 값보다 월등히 우수한 수치이다. 특히 80 K으로 냉각시 InSe의 전자 포화 속도는 최대 3.9×107 cm/s로 상온 대비 50% 이상 향상되는데, 이는 전자 포화 속도가 약 20% 정도만 상승하는 실리콘 그리고 냉각하여도 포화 속도에 거의 변화가 없는 그래핀 대비 주목할만하다. 인듐 셀레나이드의 전자 포화 속도를 체계적으로 분석하여 보고한 것은 이번이 처음이며, 연구진은 전자 포화 속도 양상의 결정 기제 또한 규명하였다.
*이종접합: 서로 다른 결정 반도체의 2개의 층 또는 영역 사이의 접점
이번 연구를 주도한 석용욱 학생은 “고성능 소자 개발을 통해 2차원 반도체 InSe의 높은 전자 이동도와 포화 속도를 확인할 수 있었다”며 “실제 극저온 및 고주파수 구동이 필요한 응용 기기에의 적용 연구가 필요하다”라고 덧붙였다.
이가영 교수는 “고주파수 전자 시스템 구현에는 높은 포화 속도가 요구되는데 이번에 개발한 고성능 전자 소자는 초고속 구동이 가능하여 5G 대역을 넘어 6G 주파수 대역에서의 동작이 가능할 것으로 예측된다”며 “저온으로 갈수록 소자의 성능이 더욱 향상되어 퀀텀 컴퓨터의 양자 제어 IC(Integrated circuit)와 같이 극저온 고주파수 구동 환경에 적합하다.”라고 말했다.
KAIST 전기및전자공학부 석용욱 박사과정 학생이 제1저자로 참여한 이번 연구는 나노과학 분야 저명 국제 학술지 `ACS Nano'에 2024년 3월 19일 정식 출판됐으며 동시에 저널 표지 논문으로 채택됐다. (논문명 : High-Field Electron Transport and High Saturation Velocity in Multilayer Indium Selenide Transistors)
한편 이번 연구는 한국연구재단의 신진연구자지원사업, 기초연구사업 및 BK21, KAIST의 C2(Creative & Challenging) 프로젝트, LX 세미콘-KAIST 미래기술센터, 그리고 포스코청암재단의 지원을 받아 수행됐다.
붙임 : 연구개요, 그림 설명, 교수 이력
2024.03.20
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‘6G 그랜드 써밋 2023’ 개최
우리 대학 LG전자(대표이사 조주완), 한국표준과학연구원(원장 박현민 )과 공동으로 ‘6G 그랜드 써밋 2023(Grand Summit)’행사를 2023년 11월 21일 KI 빌딩 서남표 퓨전홀에서 개최해 국내외 6G 전문가들과 6G 주요 연구개발 현황을 공유하고 미래 기술 방향성을 토론하는 자리를 갖는다고 17일 밝혔다.
본 행사는 ‘유비쿼터스 모바일 라이프를 위하여(Moving Forward a Ubiquitous Mobile Life)’라는 주제로, EU 6G 플래그십 프로그램 디렉터인 올루 대학 마티 라트바호(Matti Latva-aho) 교수의 ‘글로벌 6G R&D 동향 관련 기조 발표’에 후속하여 학술계 중심의 ‘6G 기술 심포지엄 세션’과 산업계 중심의 ‘6G 시스템 개발 세션’으로 나뉘어 진행된다.
‘6G 기술 심포지엄 세션’에서는 고려대, KAIST, 미국 육군연구소에서 6G 핵심 기술들을 소개하며,‘6G 시스템 개발 세션’에서는 LG전자, 퀄컴, 한국표준과학연구원, 일본 NTT, 한국전자통신연구원에서 6G 비전과 시스템 개발 현황을 공유한다.
연구 성과물 시연 전시 현장에서는 KAIST, LG전자, 한국표준과학연구원, 로데슈바르즈에서 6G 기술 관련 시제품들을 소개한다. 특히 KAIST의 서브 테라헤르츠 내지 밀리미터 대역에서 활용가능한 여러 가지 신소재 기반 빔포밍 시스템 기술이 주목받고 있다. 더불어 LG전자에서는 향후 다양한 6G 기술들에 대한 고도화 테스트 시연에 적용될 시스템 플랫폼 하드웨어를 최초로 공개하는데, 본 시스템은 다양한 6G 무선전송기술 후보들에 대해 적용가능하며 최대 4 기가헤르츠(GHz)의 초광대역 무선 전송을 지원한다.
이날 행사에는 KAIST 이광형 총장, 과학기술정보통신부 홍진배 실장, LG전자 김병훈 CTO, 한국표준과학연구원 박현민 원장 등 국내 6G 주요 관계자들이 참석한다. KAIST 이광형 총장은 “6G 통신 시대에는 다양한 산업 분야의 응용 서비스와 통신 서비스가 융합되면서 새로운 비즈니스 기회가 창출되고 많은 새로운 기업이 탄생할 것”이라고 기대감을 표명하고 있다.
6G 이동통신 기술은 2025년경부터 표준화 작업을 시작하여 2029년경 상용화될 차세대 이동통신 기술로서 KAIST, LG전자, 한국표준과학연구원은 여러 6G 연구개발 사안들에 대한 협력을 지속적으로 추진해오고 있으며, 특히 KAIST와는 지난 2019년 국내 최초 6G 산학연구센터인 ‘LG전자-KAIST 6G 연구센터’를 설립한 바 있다.
참고로 동 행사는 지난 2022년 9월 서울 마곡 LG 사이언스파크에서 개최된 ‘6G 그랜드 서밋 2022’ 행사의 후속으로, 제2회차를 맞이한 올해는 대전 KAIST에서 관계 산학연 기관 간 6G 협력 공동 행사로서 진행된다.
(행사 문의: E-mail: aycho725@kaist.ac.kr, 조아영 선임)
2023.11.17
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천조분의 일 안정성 가진 6G 테라헤르츠파 생성 기술 개발
차세대 6G 무선통신, 양자 분광 기술, 나아가 군용 레이더 기술을 실현하고, 6G 통신 기기 간 주파수 표준으로 이용될 수 있는 넓은 대역의 테라헤르츠파* 응용 기술이 개발되어 획기적인 성능 향상을 가져올 것으로 예상된다.
*테라헤르츠파(THz): 밀리미터파와 광파 사이(100기가헤르츠(GHz) ~ 3테라헤르츠(THz))에 해당하는 전자기파
우리 대학 기계공학과 김승우, 김영진 교수 공동연구팀이 차세대 6G 이동통신 대역으로 알려진 테라헤르츠 대역에서 세계 최고 수준의 안정도를 가지는 초안정 테라헤르츠파 생성 원천기술을 개발했다고 3일 밝혔다.
차세대 테라헤르츠파 기술을 선점/선도하기 위해서는, 핵심 테라헤르츠 소자들에 대한 개발, 평가 및 선점이 필수적이다. 하지만, 테라헤르츠 전송, 변조 및 검출 소자들에 대한 평가를 수행할 수 있는, 초안정 표준급 테라헤르츠 신호 생성에 어려움이 있어, 이러한 핵심 소자들에 대한 접근에 지금까지 제한이 존재해 왔다.
기존의 테라헤르츠파 생성 방식은 상대적으로 낮은 주파수 안정도를 가지는 마이크로파 원자시계에 기반한 것으로, 최근 개발된 광 시계와 비교하여서는 수천 배 이상 낮은 안정도를 보여 왔다.
이를 극복하기 위해, 연구팀에서는 천조분의 일(1/1,000,000,000,000,000)의 안정도를 가지는 매우 정밀한 광주파수 대역의 시간 표준을 안정화하는 펨토초 레이저 광빗*으로부터 두 개의 레이저를 추출/합성해 테라헤르츠파를 생성했다. 이 과정에서 연구팀은 다양한 잡음을 면밀히 분석하고, 광빗의 우수한 안정도를 유지하기 위해 잡음 보상/제어 기술을 개발했다. 이후, 광빗의 넓은 대역폭 특성을 활용하여 테라헤르츠파를 생성했으며, 전대역에서 시간 표준 수준의 안정도(천조분의 일)를 가지는 것을 실험적으로 검증했다. 이는 세계 최고 수준의 광 시계 안정도를 테라헤르츠 대역에서도 새로이 실현할 수 있음을 의미한다.
*펨토초 레이저 광 빗: 시간/주파수 표준으로 활용할 수 있는 광대역(수백만 개의 주파수의 중첩) 레이저, 빛의 스펙트럼이 머리빗과 닮았다 하여 붙여진 이름이다.
우리 대학 기계공학과 졸업생 신동철 박사가 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 2월 11일 게재됐다. (논문명: Photonic comb-rooted synthesis of ultra-stable terahertz frequencies)
이 기술은 광 시간 표준에 기반한 세계 최고 수준의 초안정 테라헤르츠파를 생성할 수 있어, 차세대 6G 통신 대역에서 초고속 통신을 실현하고, 6G 통신 기기 간 주파수 표준으로 이용될 수 있다. 또한, 생성한 테라헤르츠파는 밀리헤르츠(mHz) 수준의 정확도로 실시간 변조 가능하다는 것을 검증했다.
주저자인 신동철 박사는 "펨토초 레이저 광빗을 매개로 한 테라헤르츠 생성 기술 개발을 통해 세계 최고 수준의 광 시계 안정도를 테라헤르츠 영역으로 확장할 수 있음을 실험적으로 검증했다ˮ며 "차세대 6G 무선통신 대역에서 가장 우수한 안정도를 선점한 것에 의미가 있고 테라헤르츠 핵심 소자 평가 등에 응용돼 테라헤르츠 대역 표준 확립에 도움될 것이다ˮ라고 말했다.
한편 이번 연구는 한국연구재단의 과학기술분야 기초연구사업-개인연구사업- 리더연구(국가과학자)지원을 받아 수행됐다.
2023.03.03
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광학 칩과 광섬유로 초안정 마이크로파 발생 기술 개발
우리 대학 기계공학과 김정원 교수와 물리학과 이한석 교수 공동연구팀이 광학 칩과 광섬유를 이용해 손바닥만 한 작은 장치로부터 2조분의 1(5×10-13) 수준의 주파수 안정도를 가지는 초안정 마이크로파를 발생하는 기술을 개발했다고 26일 밝혔다.
이 새로운 기술을 이용하면 기존의 마이크로파 발생 기술들보다 월등하게 우수한 위상잡음과 주파수 안정도의 마이크로파를 핸드폰 크기 면적의 작은 장치로부터 생성할 수 있어, 향후 5G/6G 통신, 전파망원경을 이용한 천체 관측, 군용 레이더, 휴대용 양자 센서 및 초고속 신호 분석 기술 등의 다양한 분야에서 획기적인 성능 향상이 가능하다.
우리 대학 기계공학과 권도현 박사(現 한국표준과학연구원)와 나노과학기술대학원 정동인 박사가 공동 제1 저자로 참여한 공동연구팀의 이번 논문은 국제학술지 `네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 1월 19일 字에 게재됐다. (논문명: Ultrastable microwave and soliton-pulse generation from fibre-photonic-stabilized microcombs)
최근 초소형 마이크로공진기(microresonator)를 이용해 광 펄스를 생성하는 마이크로콤(micro-comb) 기술이 급격하게 발전하고 있다. 마이크로콤은 광 펄스가 나오는 속도를 수십 기가헤르츠(GHz, 1초에 10억 번 진동)에서 테라헤르츠(THz, 1초에 1조 번 진동)까지 높일 수 있어 고주파 마이크로파(microwave)나 밀리미터파(millimeter-wave) 생성이 쉽고 시스템의 소형화가 가능해 다양한 정보통신기술 시스템의 대역폭 향상과 성능 개선에 핵심적인 역할을 할 것으로 기대되고 있다.
마이크로콤은 이론적으로 펨토초(femtosecond, 10-15초=1,000조분의 1초) 수준의 펄스 간 시간 오차를 가지지만, 소형 소자의 특성상 주변 환경에 의해 쉽게 변해 장시간 그 성능을 유지하는 데에 어려움이 있었다. 이를 해결하기 위해 마이크로콤을 기계적으로 안정한 장치에 주파수 잠금해 안정도를 향상할 수 있으나, 지금까지는 이러한 안정화 장치가 매우 복잡하고 진동에 민감하며 부피가 커서 초소형 마이크로콤이 가지는 장점을 살릴 수 없고 실험실 밖 응용에 활용할 수 없었던 문제가 있었다.
연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 광섬유를 이용해 마이크로콤의 주파수를 안정화하는 기술을 개발했다. 1km 길이의 광섬유는 열 기계적(thermomechanical) 잡음 한계에 의한 이론적인 길이 안정도가 1,000조분의 1 수준으로 매우 우수하면서도, 부피가 작고 매우 가벼우면서 가격도 저렴한 장점이 있다. 연구팀은 이러한 광섬유 기반의 안정화 장치를 108 mm × 73 mm × 54 mm 크기로 구현할 수 있었다.
그 결과 생성된 22-기가헤르츠(GHz) 마이크로파의 시간 오차를 상용 고성능 신호 발생기보다 6배 이상 향상된 10펨토초 수준으로 낮출 수 있었으며, 주파수 안정도는 2조분의 1(5×10-13) 수준까지 낮출 수 있었다.
이 기술은 매우 우수한 위상잡음과 주파수 안정도의 마이크로파와 광 펄스를 동시에 생성할 수 있어, 다양한 최첨단 과학기술 분야들에서 활용할 수 있다. 대표적인 예로서 전파망원경 기반의 초장기선 간섭계(very long baseline interferometer, VLBI)의 경우 보다 높은 주파수와 낮은 잡음을 가지는 마이크로파와 광 펄스를 사용하면 측정 분해능과 관측 정밀도를 획기적으로 향상시킬 수 있어 기존에는 관측할 수 없었던 블랙홀의 사건의 지평선(event horizon)과 같은 새로운 천체 현상들을 탐사할 수 있을 것으로 기대된다.
우리 대학 기계공학과 김정원 교수는 "이번에 개발된 초안정 기술을 통신, 레이더, 데이터 변환기와 전파망원경 등 다양한 분야들에 적용하기 위한 후속 연구들을 진행 중ˮ이라고 밝혔으며, 물리학과 이한석 교수는 "향후 성능을 더욱 끌어올리고자, 실리콘 칩 상에 구현된 핵심 소자인 마이크로공진기의 광학적 특성을 개선하는 연구를 수행 중ˮ이라고 밝혔다.
한편 이번 연구는 정보통신기획평가원 양자센서핵심원천사업과 한국연구재단 중견연구사업의 지원을 받아 수행됐다.
2022.01.26
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전기및전자공학부 최재혁 교수팀, '제22회 대한민국 반도체 설계대전' 대통령상 수상
우리 대학 전기및전자공학부 최재혁 교수 연구실(연구실명: 집적회로 시스템 연구실, Integrated Circuits and System Lab)에서 ‘제22회 대한민국 반도체 설계대전’의 대통령상 수상자를 배출했다.
‘제22회 대한민국 반도체 설계대전’은 산업통상자원부와 한국반도체산업협회가 공동으로 주관하는 반도체 설계 전문 공모전으로, 반도체 설계분야 대학(원)생들의 설계 능력을 배양하고, 창의적인 아이디어를 발굴하는 것을 목표로 한다.
대통령상 수상자는 최재혁 교수 연구실의 박선의 박사과정, 조윤서 박사과정, 방주은 박사과정 학생으로 6G 통신에서 통신을 방해하는 잡음(noise)을 획기적으로 낮추는 ‘초 저잡음 신호’를 생성할 수 있는 CMOS(상보형금속산화반도체) 공정 기반의 칩을 개발해 대통령상에 선정됐다.
6G 통신은 최대 20 기가bps(Gbps)의 전송 속도를 갖는 5G 통신 대비 최대 50배 빠른 1 테라bps(Tbps)를 목표로 연구가 진행되고 있다. 일반적으로 통신 주파수 대역이 올라갈수록 넓은 통신 대역폭을 사용할 수 있어 데이터 전송 속도를 높일 수 있기 때문에, 6G 통신에서 요구하는 높은 데이터 전송 속도를 위해서는 100 기가헤르츠(GHz) 이상 주파수 대역의 사용이 필수적이다.
하지만, 이러한 높은 주파수 대역에서 반송파로 사용될 수 있는 정확한 기준 신호를 CMOS 공정을 이용해 만드는 것은 큰 난제였다. CMOS 공정이 초소형, 저전력 디자인에 유리함에도 불구하고, 그 동작 주파수와 고주파 대역 이득(gain)에 한계가 있고, 저잡음 특성이 SiGe, InP 등의 현존하는 다른 공정에 비해 불리하기 때문에 100 기가헤르츠(GHz) 이상의 주파수 대역에서 초 저잡음 성능을 달성하기 어려웠기 때문이다.
하지만, 최재혁 교수팀 학생들이 개발한 칩에서는 이러한 한계를 극복하고, CMOS 공정을 사용해 처음으로 100 기가헤르츠(GHz) 이상 대역에서 고차 변‧복조 기술을 지원할 수 있는 초 저잡음 신호 생성 기술을 선보였다. 이 기술은 CMOS 공정 기반으로도 6G 통신에서 요구하는 초 저잡음 성능을 달성할 수 있다는 것을 보여줌으로써, 장차 상용화될 6G 통신 칩의 가격 경쟁력과 집적도를 높이는 데 기여할 것으로 기대된다.
대통령상 수상팀에게는 상금 500만 원과 부상이 수여되며, 시상식은 11월 22일 코엑스에서 진행된다.
2021.11.22
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6G 테라헤르츠 기술 선도를 위한 LG전자, KRISS와 R&D 협력 MoU
우리 대학이 LG전자, 한국표준과학연구원(KRISS)와 함께 차세대 이동통신 개발에 발 빠르게 대응한다.
우리 대학은 12일 대전 유성구에 위치한 한국표준과학연구원에서 LG-KAIST 6G 연구센터 조동호 센터장, 한국표준과학연구원 박현민 원장, LG전자 C&M표준연구소 김병훈 소장 등이 참석한 가운데 3자 업무협약(MOU)을 맺었다.
이번 협약으로 참여기관 3곳은 6G 기술에 대한 원천기술 개발부터 기술 검증까지 6G 연구개발 프로세스를 구축하는 계기를 마련했다.
협약 참여기관은 올해 하반기부터 6G 테라헤르츠(THz)와 관련한 원천 기술 개발, 기술 검증, 인프라 구축 및 운영, 주파수 발굴, 채널 특성 분석 등을 진행해 글로벌 기술 리더십을 확보할 계획이다.
6G는 2029년 상용화가 예상되는 차세대 이동통신 기술로 6G 시대에는 사람, 사물, 공간 등이 유기적으로 연결된 만물지능인터넷(AloE: Ambient IoE) 환경이 인공지능(AI)과 결합, 조성될 것으로 예상된다.
테라헤르츠 무선 송수신 기술은 6G 이동통신의 핵심이다. 이 기술은 0.1 테라헤르츠에서 수(數) 테라헤르츠에 이르는 주파수 대역을 활용하여 초당 최대 1테라비트(1Tbps)의 데이터 전송 속도를 가능하게 하는 기술이다.
앞서 우리 대학은 지난해 1월 LG전자와 LG-KAIST 6G 연구센터를 국내 최초로 설립하고 6G 이동통신 핵심 기술에 대한 선행 연구, 개발 등을 진행하고 있다. 특히 LG-KAIST 6G 연구센터는 현재까지 테라헤르츠 무선 송수신 원천 기술을 포함해 다수의 6G 핵심 기술 개발을 추진하고 있다.
조동호 센터장은 “우리나라가 5G 세계 최초 상용화에 이어 6G 이동통신의 연구개발을 주도하기 위해 국내 최고 산학연 기관들이 모여 4차 산업혁명 후 미래사회 인프라의 불확실성을 최소화하고 미래산업을 위한 기술 초석을 마련하는 것은 큰 의미가 있을 것”이라고 말했다.
한편 한국표준과학연구원은 1975년 설립된 국가측정표준 기관이다. 통신, 반도체, 자동차 등 국가 주력산업의 제품 품질 향상에 공헌하고 있다. 특히 연구원 내 전자파 표준그룹은 전자파 전 분야 측정표준을 확립해 국내외에 보급하고 있다. 또 6G 테라헤르츠에 활용될 220 GHz까지 주파수 대역의 원천 측정기술, 기술 검증 인프라 등을 확보하고 있다.
한국표준과학연구원 박현민 원장은 “한국표준과학연구원에서 개발하는 전자파분야 원천 측정기술이 우리나라 기업의 6G 연구개발 분야 글로벌 경쟁력 확보에 초석이 되기를 바란다”며 “산학연 간 긴밀하고 지속적인 연구협력으로 국내외 측정표준 분야에서 선도적인 역할을 기대한다”고 말했다.
LG전자 C&M표준연구소 김병훈 소장은 “차세대 이동통신 기술 선점 경쟁이 치열하다. LG전자는 이번 협약을 통해 6G 핵심 후보 기술인 테라헤르츠 무선 송수신에 대한 연구를 고도화 하고 글로벌 기술 리더십을 견고하게 구축하길 기대한다”며 “협약 기관들의 역량 강화를 넘어 국가 기술 경쟁력의 강화와 연구개발 협력 활성화에 기여하도록 노력해 나가겠다”고 강조했다.
2020.08.13
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