혁신적 포논 소재, 더 작고 강력한 무선 장치 실현 예고

포논 기반 합성 소재로 무선 기술 차세대 혁명 이끌다

새로운 클래스의 합성 소재가 무선 기술의 다음 혁명을 예고하며, 장치를 더 작게 만들고, 더 적은 신호 강도를 필요로 하며, 더 적은 전력을 사용하게 할 수 있습니다.

포토닉스와 포노닉스의 유사성

이 발전의 열쇠는 포노닉스(phononics)에 있습니다. 이는 포토닉스(photonics)와 유사합니다. 둘 다 유사한 물리 법칙을 활용하고 기술을 발전시키는 새로운 방법을 제공합니다. 포토닉스가 광자(photon)를 활용하는 반면, 포노닉스는 포논(phonon)을 활용합니다. 포논은 물질을 통해 기계적 진동을 전달하는 물리적 입자로, 소리와 유사하지만 들을 수 없는 훨씬 높은 주파수에서 작동합니다.

자연 재료 조합으로 거대 비선형 상호작용 구현

Nature Materials에 게재된 논문에서 애리조나 대학교 와이언트 광학과학대학과 샌디아 국립연구소 연구자들은 일반적으로 함께 사용되지 않는 고도로 특화된 반도체 소재와 압전 소재를 결합해 포논 간의 거대 비선형 상호작용을 생성하는 주요 이정표를 달성했습니다. 동일한 소재를 사용한 포논 증폭기 선행 혁신과 함께, 이는 스마트폰 같은 무선 장치나 기타 데이터 송신기를 더 작고, 더 효율적이고, 더 강력하게 만들 가능성을 열어줍니다.

"대부분의 사람들은 휴대폰 안에 라디오파를 음파로, 다시 라디오파로 변환하는 유일한 일을 하는 필터가 약 30개나 있다는 사실에 놀랄 것입니다."라고 연구 수석 저자인 매트 아이헨필드(Matt Eichenfield)는 말했습니다. 그는 애리조나 대학교 광학과학대학과 뉴멕시코 앨버커키 샌디아 국립연구소에 공동 임명되어 있습니다.

기존 압전 필터의 한계

프론트엔드 프로세서의 일부인 이 압전 필터들은 특수 마이크로칩에 제작되며, 스마트폰이 데이터를 송수신할 때마다 음파와 전기파 사이를 여러 번 변환합니다. 이 필터들이 프론트엔드 프로세서의 다른 중요한 칩들과 같은 소재(실리콘 등)로 만들 수 없기 때문에 장치의 물리적 크기가 필요 이상으로 커지고, 라디오파와 음파 사이를 오가며 발생하는 손실이 누적되어 성능을 저하시킵니다.

비선형 포노닉스의 돌파구

"일반적으로 포논은 완전히 선형적으로 행동해 서로 상호작용하지 않습니다."라고 그는 말했습니다. "두 레이저 포인터 빔을 서로 통과시키는 것과 비슷합니다. 그냥 서로 통과할 뿐입니다."

비선형 포노닉스는 특수 소재에서 포논이 상호작용할 수 있고 실제로 상호작용하는 현상을 말합니다. 논문에서 연구자들은 '거대 포노닉 비선형성'을 입증했습니다. 연구팀이 제작한 합성 소재는 포논이 기존 소재보다 훨씬 더 강하게 상호작용하게 만듭니다.

"레이저 포인터 비유로 말하면, 두 번째 레이저 포인터를 켰을 때 첫 번째 레이저 포인터의 광자 주파수가 변하는 것과 같습니다. 결과적으로 첫 번째 빔의 색이 변하는 것을 볼 수 있을 것입니다."

새 포노닉스 소재로 연구자들은 한 포논 빔이 다른 포논 빔의 주파수를 실제로 변경할 수 있음을 입증했습니다. 더욱이, 포논을 트랜지스터 기반 전자공학으로만 가능했던 방식으로 조작할 수 있음을 보였습니다.

단일 칩 음향파 RF 프론트엔드 완성

연구팀은 표준 마이크로프로세서 제조와 호환되는 방식으로 트랜지스터 기반 전자공학 대신 음향파 기술을 사용해 무선 주파수 신호 프로세서에 필요한 모든 구성요소를 단일 칩에 만드는 목표를 향해 노력해왔습니다. 최신 출판물은 그것이 가능함을 입증합니다. 이전에는 증폭기와 스위치 같은 음향 구성요소 제작에 성공했습니다. 최신 출판물에 기술된 음향 믹서로 퍼즐의 마지막 조각을 추가했습니다.

"이제 무선 주파수 프론트엔드 프로세서 다이어그램의 모든 구성요소를 가리키며 '예, 이 모든 것을 음향파로 한 칩에 만들 수 있습니다'라고 말할 수 있습니다."라고 아이헨필드는 말했습니다. "우리는 음향 영역에서 전체를 만드는 다음 단계로 이동할 준비가 되었습니다."

장치 크기 100배 축소 가능성

무선 주파수 프론트엔드에 필요한 모든 구성요소를 단일 칩에 구현하면 휴대폰과 기타 무선 통신 가젯을 최대 100배까지 축소할 수 있다고 아이헨필드는 말합니다.

기술적 구현 세부사항

팀은 리튬 니오베이트(압전 장치와 휴대폰에 광범위하게 사용되는 합성 소재) 얇은 층이 있는 실리콘 웨이퍼를 가져와 인듐 갈륨 비소화물을 포함한 반도체 초박막(100원자 두께 미만)을 추가했습니다.

"이 소재들을 올바른 방식으로 결합했을 때 우리는 포노닉 비선형성의 새로운 영역에 접근할 수 있었습니다."라고 논문 제1저자인 샌디아 엔지니어 리사 해킷(Lisa Hackett)은 말했습니다. "이는 지금까지 가능했던 것보다 더 작은 고성능 무선 송수신 기술을 발명할 수 있는 길을 열었습니다."

이 설정에서 시스템을 통과하는 음향파는 소재를 통과할 때 비선형 방식으로 행동합니다. 이 효과는 주파수 변경과 정보 인코딩에 사용될 수 있습니다. 포토닉스의 필수 요소인 비선형 효과는 오랫동안 보이지 않는 레이저 빛을 가시 레이저 포인터로 만드는 데 사용되어 왔지만, 포노닉스에서 비선형 효과를 활용하는 것은 기술과 소재의 한계로 방해받아 왔습니다. 예를 들어 리튬 니오베이트는 가장 비선형적인 포노닉 소재 중 하나지만, 단독 사용 시 그 비선형성이 매우 약해 기술적 응용에 제약이 있습니다.

인듐-갈륨 비소화물 반도체를 추가함으로써 아이헨필드 그룹은 음향파가 소재를 통과할 때 인듐 갈륨 비소화물 반도체 박막의 전하 분포에 영향을 미쳐 음향파가 제어 가능한 특정 방식으로 혼합되게 하는 환경을 만들었습니다. 이는 시스템을 다양한 응용에 개방합니다.

"이 소재들로 생성할 수 있는 효과적인 비선형성은 이전보다 수백 배, 심지어 수천 배 더 큽니다. 이건 미쳤습니다."라고 아이헨필드는 말했습니다. "비선형 광학에서도 똑같이 할 수 있다면 그 분야에 혁명을 일으킬 것입니다."

미래 전망

물리적 크기가 현재 최첨단 무선 주파수 처리 하드웨어의 근본적 제약 중 하나라는 점에서, 새로운 기술은 현재 대응품보다 훨씬 더 능력 있는 전자 장치의 문을 열 수 있다고 저자들은 말합니다. 사실상 공간을 차지하지 않고, 더 나은 신호 커버리지와 더 긴 배터리 수명을 가진 통신 장치가 지평선에 있습니다.

출처