나노기술 및 정책 정보

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오사카(大阪)대학 대학원 기초공학연구과, TDK의 공동 연구그룹이 나노 스케일 자석 중의 열을 이용하여 서브기가 헤르츠 대역의 마이크로파를 볼로미터(bolometer)와 동일한 다이오드 감도로 검출하는 데 성공함.

지금까지 적외선 영역에서는 전자파를 열로 바꾸어 고감도 검출하는 볼로미터가 알려져 있는데, 서브기가 헤르츠 범위에서 볼로미터 정도의 다이오드 감도를 갖는 소자는 존재하지 않았음.

연구진은 ‘금속 자석 | 절연체 | 금속 자석 | 절연체’구조의 소자를 사용함. 소자에 직류 전류를 인가한 바, 스핀 토크 자려발진(自勵發振, self-oscillation)에 의해 자극(磁極)의 방향이 자발적으로 진동됨. 이 소자에 마이크로파가 인가되자 소자에 교류 전류가 흘러 금속 자석의 자유 층에 열이 발생하여 온도가 변화함. 절연체 사이의 금속 자석은 계면의 열 저항에 의해 열이 달아나기 어려워지기 때문에 온도가 효과적으로 진동함.

금속 자석의 온도 진동은 자극 방향의 진동과 동기(同期)되어 자극 방향의 진동 진폭이 커짐. 자극 방향의 진동이 증가함에 따라 진동의 중심 위치가 바뀌는 현상(비선형 효과)이 발생하면 소자의 저항도 변화됨. 이 저항 변화와 인가되는 직류 전류가 직류 전압을 발생시키는데, 이것이 자석을 사용한 볼로미터의 원리임.

본 연구에서 사용된 열에 의한 자극 제어는 기존 연구의 약 3배(2.7μJ/Wm)인 것으로 확인됐으며, 다이오드 감도 증가의 원인인 것으로 생각됨.

향후 서브기가 헤르츠 대역의 마이크로파 통신 소자의 고감도화가 기대됨.

본 연구 성과는 Nature Communications (Uncooled sub-GHz Spin Bolometer Driven by Auto-oscillation)에 게재됨.