나노기술 및 정책 정보

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토호쿠대학(大學) 전기통신연구소, 프랑스 국립과학연구소(CNRS) 등의 국제 공동 연구그룹이 실온 환경에서 그래핀을 사용하여 전지를 구동시킴으로써 테라헤르츠 전자파를 증폭시키는 데 성공함. 연구팀은 그래핀을 채널로 하는 트랜지스터 소자를 시작(試作)하고 그래핀 내 전자 집단으로 형성되는 전하 진동 양자(플라즈몬)를 직류 전류로 여진(励振)시킴으로써, 그래핀 전자가 테라헤르츠파와 직접 상호 작용하여 얻을 수 있는 최대치를 4배나 상회하는 증폭 작용을 실온 하에서 관찰하는 데 성공함. 연구진은 그래핀 플라즈몬이 다른 반도체 재료에 비해 테라헤르츠파 광자와 상호 작용하는 효율이 매우 높은 것에 착안, 그래핀 플라즈몬을 테라헤르츠파와 효율적으로 결합할 수 있는 ‘이중 회절 격자 게이트’라는 독자적 트랜지스터 전극 구조를 도입한 그래핀 트랜지스터를 제작함. 트랜지스터의 드레인 단자에 인가하는 직류 전압을 변화시키면서 테라헤르츠파를 트랜지스터에 입사시키고 그래핀 채널층을 투과한 테라헤르츠파의 시간응답파형을 측정하는 한편, 테라헤르츠 입사 펄스파와 비교하여 그래핀의 테라헤르츠파에 대한 흡수(손실) 스펙트럼을 측정함. 측정 결과, 드레인 바이어스가 임계치 이하에서는 그래핀 플라즈몬의 공명 주파수를 피크로 하는 강한 흡수 스펙트럼을 얻을 수 있었음. 본 연구는 실온 동작이 가능한 배터리 구동을 통한 고이득 테라헤르츠파 증폭 소자, 고강도 테라헤르츠 레이저 소자 등을 실현하는 큰 성과로, 향후 테라헤르츠파를 이용하는 차세대 초고속 무선 통신(6G, 7G) 실현에 기여할 것으로 기대됨.

본 연구 성과는 ‘Physical Review X’ (“Room-Temperature Amplification of Terahertz Radiation by Grating-Gate Graphene Structures”) 지에 게재됨.