미국 MIT 연구진이 부피가 큰 실리콘 렌즈 없이도 칩에서 고출력 테라헤르츠파(THz wave)를 생성할 수 있는 확장 가능한 저가의 디바이스를 개발했다. 

전파보다 파장이 짧고 주파수가 높은 테라헤르츠파를 사용하면 더 빠른 데이터 전송, 정밀한 의료 영상 촬영, 고해상도 레이다를 구현할 수 있다. 그러나 전자장치에 통합하는 데 필수적인 반도체 칩을 사용하여 테라헤르츠파를 효과적으로 생성하는 것이 어려운 것으로 지적되고 있다. 

현재의 많은 기술은 부피가 크고 비싼 실리콘 렌즈를 사용하지 않으면 유용한 애플리케이션을 위한 충분한 방사 전력(radiating power)을 생성할 수 없다. 방사 전력이 높을수록 테라헤르츠 신호가 더 멀리 전달될 수 있다. 이러한 렌즈는 칩 자체보다 크기 때문에 테라헤르츠 소스를 전자장치에 통합하는 데 어려움이 있다. 

이러한 한계를 극복하기 위해, MIT 연구진은 실리콘 렌즈 없이도 기존 디바이스보다 더 높은 방사 전력을 제공하는 테라헤르츠 amplifier-multiplier(증폭 배수기) 시스템을 개발했다. 

연구진은 칩 뒷면에 얇은 패턴 시트를 부착하고, 인텔의 고출력 트랜지스터를 사용하여 더 효율적이면서도 확장 가능한 칩 기반 테라헤르츠파 제너레이터를 제작했다.
 

이 소형 칩은 숨겨진 물체를 탐지하는 향상된 보안 스캐너나 공기 중 오염 물질을 정확히 찾아내는 환경 모니터와 같은 애플리케이션을 위한 테라헤르츠 어레이를 만드는 데 사용될 수 있다.

MIT EECS(전자공학과 및 컴퓨터공학과) 대학원생이자 테라헤르츠 방사기(terahertz radiator)에 관한 논문의 주저자인 진첸 왕(Jinchen Wang)은 “테라헤르츠파 소스를 최대한 활용하려면 확장성이 뛰어나야 한다. 테라헤르츠 어레이에는 수백 개의 칩이 포함될 수 있으며, 칩이 고밀도로 결합되어 있기 때문에 실리콘 렌즈를 넣을 공간이 없다. 우리는 다른 패키지가 필요했으며, 여기서 확장 가능하고 저렴한 테라헤르츠 어레이에 사용할 수 있는 유망한 접근 방식을 시연했다"라고 말했다.

테라헤르츠파는 전자기 스펙트럼에서 적외선과 전파 사이에 위치하는 0.1~10THz의 진동수를 갖는 전자기파를 지칭한다. 높은 주파수는 전파보다 초당 더 많은 정보를 전달할 수 있으며 적외선보다 더 넓은 범위의 물질을 안전하게 투과할 수 있다.

테라헤르츠파를 생성하는 한 가지 방법은 전파의 주파수를 테라헤르츠 범위에 도달할 때까지 증가시키는 CMOS 칩 기반의 amplifier-multiplier 체인을 사용하는 것이다. 최고의 성능을 얻기 위해 전파는 실리콘 칩을 통과하여 결국 뒷면을 통해 공기 중으로 방출된다. 하지만 유전상수(dielectric constant)라는 속성이 원활한 전송을 방해한다. 

유전상수는 전자기파가 물질과 상호작용하는 방식에 영향을 미친다. 이는 흡수, 반사 또는 투과되는 방사선의 양에 영향을 미친다. 실리콘의 유전상수는 공기보다 훨씬 높기 때문에 대부분의 테라헤르츠파는 깔끔하게 뛰쪽으로 투과되지 않고 실리콘-공기(silicon-air) 경계에서 반사된다. 대부분의 신호 강도가 이 경계에서 손실되기 때문에 현재의 방법은 종종 실리콘 렌즈를 사용하여 남은 신호의 출력을 높인다. 

이 문제에 대해, MIT 연구진은 다르게 접근했다.

이들은 매칭(matching)이라는 전기기계(electromechanical) 이론을 활용했다. 매칭을 통해 실리콘과 공기의 유전상수를 동일하게 맞춰 경계에서 반사되는 신호의 양을 최소화하고자 했다.

연구진은 실리콘과 공기 사이에 유전상수를 가진 얇은 소재 시트를 칩 뒷면에 붙착하여 이를 달성했다. 이 매칭 시트가 있으면 대부분의 파동이 반사되지 않고 뒷쪽으로 전달된다. 

연구진은 매칭에 필요한 유전상수에 매우 근접한 저가의 상용 기판 재료를 선택했다. 성능을 향상시키기 위해 레이저 커터를 사용하여 시트에 작은 구멍을 뚫어 유전상수을 정확하게 맞췄다. 

“공기의 유전상수는 1(K=1)이므로 시트에 미세파장의 구멍을 뚫으면 공기를 일부 주입하는 것과 마찬가지이므로, 매칭 시트의 전체 유전상수를 낮추는 효과가 있다”라고 왕은 설명했다.

또한, 연구진은 기존 CMOS 트랜지스터보다 더 높은 최대 주파수와 항복 전압을 가진 인텔이 개발한 특수 트랜지스터를 사용하여 칩을 설계했다. 

“이 두 가지, 더 강력한 트랜지스터와 유전 시트, 그리고 몇 가지 소소한 혁신이 합쳐져 다른 여러 장치보다 뛰어난 성능을 구현할 수 있었다”라고 왕은 설명했다.

연구진에 따르면, 이 칩은 최첨단 기술 중 최고 수준인 11.1 데시벨-밀리와트(dBm)의 최대 방사 전력으로 테라헤르츠 신호를 생성한다. 또한, 이 저비용 칩은 대규모로 제작할 수 있어서 실제 전자장치에 더 쉽게 통합할 수 있다.

확장 가능한 칩 개발의 가장 큰 도전 과제 중 하나는 테라헤르츠파를 생성할 때 전력과 온도를 관리하는 방법을 결정하는 것이었다.

“주파수와 전력이 너무 높기 때문에 CMOS 칩을 설계하는 표준 방법은 여기서는 적용되지 않는다”라고 왕은 설명했다.

연구진은 또한 제조 시설에서 확장할 수 있는 매칭 시트를 설치하는 기술을 고안해야 했다.

연구진은 앞으로 CMOS 테라헤르츠 소스의 위상 배열을 제작하여 이러한 확장성을 입증함으로써 저비용의 소형 디바이스로 강력한 테라헤르츠 빔을 조향하고 집중시킬 수 있기를 희망하고 있다.

이 연구는 부분적으로 NASA의 제트 추진 연구소(Jet Propulsion Laboratory)와 전략적 대학 연구 파트너십 프로그램(Strategic University Research Partnerships Programme), MIT 집적회로 및 시스템 센터(MIT Centre for Integrated Circuits and Systems)의 지원을 받았다. 이 칩은 인텔 대학 셔틀 프로그램(Intel University Shuttle Programme)을 통해 제작됐다.