6G 차세대 이동통신망은 테라헤르츠(THz) 대역폭을 이용해 1테라비트급 전송 속도를 갖는다. 이 통신망의 목표는 ‘초지능 네트워크 구현’으로, 전체 통신망에 인공지능을 적용해 자율적으로 미래형 지능 서비스가 운영하는 것이다. 이에 따라 테라헤르츠 능동소자 기술 개발이 더욱 중요해지고 있다.

이런 가운데 ‘이산화바나듐’이 능동소자 재료로 주목받고 있다. 이 물질은 상온 근처에서 금속-절연체 상전이 특성을 가지며, 테라헤르츠파에 대한 굴절률 변화와 전기 전도도 변화가 폭발적으로 일어나기 때문이다. 그런데 6G 기술 실용화에 요구되는 대량 생산기술인 포토리소그래피(Photolithography) 기법을 이산화바나듐에 쓰기는 어렵다. 이산화바나듐의 합성온도가 약 500℃ 이상으로 높아 감광물질이 경화되기 때문이다.

이번 연구에서는 포토리소그래피 공정으로 바나듐 금속에 패턴을 새긴 후에 열 산화(thermal oxidation)​로 이산화바나듐을 성장시키는 방법을 개발했다. 이로써 식각 손상에서 자유로운 대면적 이산화바나듐 패터닝을 실현했다. 이 기술을 기반으로 테라헤르츠파의 파장보다 짧은 주기를 가지는 슬릿 배열 구조의 산화바나듐 메타표면을 제작해 테라헤르츠파 영역에서의 가변투명전극 구현에 성공했다.

연구진은 새로운 가변투명전극을 실온에서 100。C까지 온도영역에서 전기적·광학적으로 측정했다. 그 결과 이산화바나듐 부분은 수 천배의 전기전도도 변화를 보이는 반면, 메타표면을 통한 테라헤르츠파의 광대역 투과율은 상전이가 일어나도 일정하게 높은 값을 유지했다. 이는 이산화바나듐이 절연 상태일 때는 사파이어 기판과 유사한 굴절률을 가지므로 투과율이 높고, 금속 상전이로 인한 이산화바나듐의 투과율 감소는 슬릿에서 광집속에 의해 보상되기 때문에 높은 투과율을 유지할 수 있음이 규명됐다. 추가적으로 연구진은 메타표면을 투과한 근적외선(NIR) 회절무늬 중 특정 회절 차수만 상전이에 따라 선택적으로 변조할 수 있음을 확인해 다중 스펙트럼에서의 응용도 가능함을 입증했다.

 본 연구에서 구현한 에칭프리 패터닝 방법과 다기능 THz 투명 전극은 이산화바나듐 기반 메타표면 소자개발을 촉진하여 THz/NIR 하이브리드 통신과 같은 다중 스펙트럼 응용분야를 개척할 것이라 기대한다.

Vanadium dioxide (VO₂) is one of the most promising materials for active metasurfaces due to the insulator-metal transition, urging the development of an etching-free patterning method and realization of multifunctionality in various spectral bands. Here, without etching, photolithography of vanadium metal followed by thermal oxidation achieve all-VO₂ slit array metasurfaces that can be exploited as a multifunctional terahertz (THz) transparent electrode. The metasurfaces retain approximately constant THz transparency over the phase transition while the electrical conductivity of the VO₂ lines changes about a thousand times, and near-infrared (NIR) diffraction is switched selectively. Numerical simulation shows that, during the phase transition, a decrease in THz transmission through the VO₂ lines is compensated for by funneling through the slits, which is especially efficient with a deep subwavelength period. On the contrary, at the NIR range, the optical path difference between the slits and the VO₂ lines is controlled according to the VO₂ phase, enabling switching between constructive and destructive interferences for a specific diffraction order. It is expected that the demonstrated patterning method and multifunctional THz transparency will promote VO₂-based metasurfaces, finding multispectral applications such as THz/NIR hybrid communication.

논문명; Multifunctional Terahertz Transparency of Thermally Oxidized Vanadium Metasurface over Insulator Metal Transition

저널; Laser & Photonics Reviews

First published: 07 August 2022

URL: https://doi.org/10.1002/lpor.202200399

DOI: 10.1002/lpor.202200399

저자;: 양효심 (제1저자/서울대), 김대식 (UNIST/서울대), 윤형석 (UNIST), 김성환(UNIST), 이덕형 (교신저자/ UNIST).