혁신적인 음파 소재로 더 작고 강력한 무선 장치 보장

전자 및 센서 내부자

Sandia National Laboratories의 Matt Eichenfield 연구실에서 그와 그의 팀은 여러 마이크로파 주파수를 사용하여 실리콘 웨이퍼 위에 구축한 비선형 음성 혼합 장치의 특성을 분석합니다. (이미지:Bret Latter/Sandia National Laboratories)

새로운 종류의 합성 소재는 무선 기술의 차세대 혁명을 예고하여 장치를 더 작고, 더 적은 신호 강도를 필요로 하며, 더 적은 전력을 사용할 수 있게 해줍니다.

이러한 발전의 핵심은 포토닉스(Photonics)와 유사한 포닉스(phononics)에 있습니다. 둘 다 유사한 물리적 법칙을 활용하고 기술을 발전시키는 새로운 방법을 제공합니다. 포토닉스가 광자를 활용하는 반면, 포논은 소리와 유사하지만 주파수가 너무 높아서 들을 수 없는 물질을 통해 기계적 진동을 전달하는 물리적 입자인 포논과 동일한 작업을 수행합니다.

Nature Materials에 게재된 논문에서 , 애리조나 대학 Wyant College of Optical Sciences 및 Sandia National Laboratories의 연구원들은 음성학을 기반으로 한 실제 응용 분야에 대한 중요한 이정표를 달성했다고 보고합니다. 고도로 특수화된 반도체 재료와 일반적으로 함께 사용되지 않는 압전 재료를 결합함으로써 연구원들은 포논 사이에 거대한 비선형 상호 작용을 생성할 수 있었습니다. 동일한 재료를 사용하여 포논용 증폭기를 시연한 이전 혁신 기술과 함께 이는 스마트폰이나 기타 데이터 송신기와 같은 무선 장치를 더 작고, 더 효율적이며, 더 강력하게 만들 수 있는 가능성을 열어줍니다.

뉴멕시코 주 앨버커키에 있는 UArizona College of Optical Sciences와 Sandia National Laboratories에서 공동으로 근무하고 있는 이번 연구의 수석 저자인 Matt Eichenfield는 "대부분의 사람들은 휴대폰 내부에 30개 정도의 필터가 있다는 사실을 들으면 놀랄 것입니다. 필터의 유일한 역할은 전파를 음파로 변환하고 역으로 변환하는 것입니다."라고 말했습니다.

프런트엔드 프로세서의 일부인 특수 마이크로칩으로 제작된 압전 필터는 스마트폰이 데이터를 수신하거나 전송할 때마다 소리와 전자파를 여러 번 변환한다고 그는 말했습니다. 이러한 칩은 프런트엔드 프로세서의 다른 매우 중요한 칩과 동일한 재료(예:실리콘)로 만들 수 없기 때문에 장치의 물리적 크기가 필요한 것보다 훨씬 크고 그 과정에서 전파와 음파 사이를 오가면서 손실이 발생하여 성능이 추가되고 저하된다고 Eichenfield는 말했습니다.

"일반적으로 포논은 완전히 선형적인 방식으로 동작합니다. 즉, 서로 상호 작용하지 않는다는 의미입니다."라고 그는 말했습니다. "이것은 하나의 레이저 포인터 빔을 다른 레이저 포인터 빔으로 비추는 것과 약간 비슷합니다. 서로 통과할 뿐입니다."

비선형 음성학은 음자가 서로 상호 작용할 수 있고 실제로 상호 작용할 때 특수 재료에서 일어나는 일을 의미한다고 Eichenfield는 말했습니다. 논문에서 연구자들은 그가 "거대한 음운 비선형성"이라고 부르는 것을 입증했습니다. 연구팀이 생산한 합성 물질은 기존의 어떤 물질보다 훨씬 더 강력하게 포논이 서로 상호 작용하도록 했습니다.

"레이저 포인터 비유에서 이것은 두 번째 레이저 포인터를 켤 때 첫 번째 레이저 포인터의 광자 주파수를 변경하는 것과 같습니다"라고 그는 말했습니다. "결과적으로 첫 번째 광선의 색상이 변하는 것을 볼 수 있습니다."

새로운 음파학 재료를 사용하여 연구원들은 하나의 포논 빔이 실제로 다른 빔의 주파수를 변경할 수 있음을 입증했습니다. 게다가 그들은 지금까지 트랜지스터 기반 전자 장치를 통해서만 실현할 수 있었던 방식으로 포논을 조작할 수 있음을 보여주었습니다.

이 그룹은 트랜지스터 기반 전자 장치 대신 음파 기술을 사용하여 무선 주파수 신호 프로세서에 필요한 모든 구성 요소를 단일 칩에서 표준 마이크로 프로세서 제조와 호환되는 방식으로 만드는 목표를 향해 노력해 왔으며 최신 출판물에서는 이것이 가능하다는 것을 입증했습니다. 이전에도 연구진은 증폭기, 스위치 등 음향 부품 제작에 성공했다. 최신 출판물에 설명된 음향 믹서를 통해 그들은 퍼즐의 마지막 조각을 추가했습니다.

Eichenfield는 "이제 무선 주파수 프런트 엔드 프로세서 다이어그램의 모든 구성 요소를 가리키며 '예, 이 모든 것을 음파로 하나의 칩에 만들 수 있습니다'라고 말할 수 있습니다."라고 말했습니다. "우리는 음향 분야 전체를 제작할 준비가 되었습니다."

Eichenfield에 따르면 단일 칩에 무선 주파수 프런트 엔드를 만드는 데 필요한 모든 구성 요소를 포함하면 휴대폰 및 기타 무선 통신 장치와 같은 장치를 100배까지 줄일 수 있다고 합니다.

연구팀은 압전 장치와 휴대폰에 광범위하게 사용되는 합성 물질인 니오브산리튬의 얇은 층이 있는 실리콘 웨이퍼에 인듐 갈륨 비소를 함유한 반도체의 초박막(원자 두께 100개 미만)을 추가함으로써 원리 증명을 달성했습니다.

"우리가 이러한 자료를 올바른 방식으로 결합했을 때 우리는 새로운 음운 비선형 체제에 접근할 수 있었습니다"라고 논문의 주요 저자인 Sandia 엔지니어 Lisa Hackett이 말했습니다. "이는 우리가 지금까지 가능했던 것보다 더 작은 전파를 보내고 받는 고성능 기술을 개발할 수 있는 길이 있다는 것을 의미합니다."

이 설정에서 시스템을 통해 이동하는 음파는 재료를 통과할 때 비선형 방식으로 동작합니다. 이 효과는 주파수를 변경하고 정보를 인코딩하는 데 사용할 수 있습니다. 포토닉스의 주요 요소인 비선형 효과는 눈에 보이지 않는 레이저 빛과 같은 것을 가시적인 레이저 포인터로 만드는 데 오랫동안 사용되어 왔지만 포닉에서 비선형 효과를 활용하는 것은 기술과 재료의 한계로 인해 방해를 받았습니다. 예를 들어, 니오브산리튬은 알려진 가장 비선형적인 음성 물질 중 하나이지만, 그 자체로 사용될 때 비선형성이 매우 약하다는 사실로 인해 기술적 응용에 대한 유용성이 방해를 받습니다.

인듐-갈륨 비소 반도체를 추가함으로써 Eichenfield의 그룹은 물질을 통해 이동하는 음파가 인듐 갈륨 비소 반도체 필름의 전하 분포에 영향을 미치고 음파가 제어될 수 있는 특정 방식으로 혼합되도록 하여 시스템을 다양한 응용 분야에 적용할 수 있는 환경을 만들었습니다.

Eichenfield는 "이러한 재료로 생성할 수 있는 효과적인 비선형성은 이전에 가능했던 것보다 수백 배 또는 심지어 수천 배 더 큽니다. 이는 말도 안되는 일입니다."라고 말했습니다. "비선형 광학에 대해 동일한 작업을 수행할 수 있다면 해당 분야에 혁명을 일으킬 것입니다."

저자에 따르면 물리적 크기는 현재 최첨단 무선 주파수 처리 하드웨어의 근본적인 한계 중 하나이기 때문에 새로운 기술은 현재의 제품보다 훨씬 더 뛰어난 성능을 갖춘 전자 장치의 문을 열 수 있다고 합니다. 공간을 거의 차지하지 않고, 더 나은 신호 범위와 더 긴 배터리 수명을 갖춘 통신 장치가 곧 등장할 것입니다.

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