이온젤(Ion-gel) 게이트 절연체를 이용한 고효율 테라헤르츠 변조기

Abstract

테라헤르츠파(Terahertz wave)는 일반적으로 0.3 THz부터 10 THz의 주파수 영역에 존재하는 전자기파를 말한다. 테라헤르츠 파는 물에서 높은 흡수를 보이나 통상적으로 기존의 빛이 투과하지 못하는 플라스틱, 반도체 등의 물질에 대하여 높은 투과율을 보이며 마이크로파에 비하여 높은 주파수를 가지고 있고, 빛과 비교하여 상대적은 낮은 에너지를 가지고 있어 무선통신, 보안, 분광학 및 이미지 처리에 응용 될 수 있다. 이와 같은 분야에 응용하기 위하여 테라헤르츠파의 세기나 위상을 변조하기 위한 소자가 요구된다. 기존에 반도체 물질을 이용한 테라헤르츠파 변조기 연구가 진행되어 왔으나, 해당 소자는 높은 삽입 손실과 낮은 변조 세기 등의 한계를 가지고 있어 새로운 물질을 활용한 테라헤르츠파 변조기에 대한 연구가 최근 활발히 진행되고 있다. 그래핀은 탄소 원자가 육각형으로 배열되어 있는 2차원 물질을 말한다. 그래핀은 고유한 밴드 구조로 인하여 근적외선부터 테라헤르츠파에 이르는 넓은 동작 영역, 높은 전자이동도 및 제어가 용이한 전기 전도도를 가지고 있다. 통상적으로 그래핀의 두께 (약 0.34 nm)는 테라헤르츠파의 파장(약 0.3 mm)과 비교하여 매우 작기 때문에 굴절율이 다른 두 유전체 사이에 놓인 그래핀에 테라헤르츠파가 입사 할 때 그래핀을 특정한 전도도를 가진 계면으로 간주할 수 있다. 이때 테라헤르츠파의 투과도와 반사도가 그래핀의 광전도도에 영향을 받게 되는데 특히 입사하는 방향에 따라 각기 다른 경향을 보인다. 본 연구에서는 단층 그래핀과 이온젤 게이트 절연체를 사용하여 효과적인 테라헤르츠 그래핀 변조기를 실험적으로 구현하고 그 특성을 이론적으로 분석하고자 하였다. 이를 위하여 matlab을 사용한 수학적 계산을 통해 그래핀의 전도도 변화 및 테라헤르츠파 입사 방향에 따른 변조 특성을 살펴보았다. 또한 이를 실험적으로 구현하기 위해 전극이 패턴된 쿼츠 기판 위에 단일 층 그래핀을 전사하였고, 효과적인 전기적 변조를 위하여 이온젤을 도포하였다. 완성된 소자에 게이트 전압을 인가하였을 때 그래핀의 전도도 변화를 확인하였으며 이에 따라 입사하는 테라헤르츠파의 투과율 및 반사율 변화를 측정하였다. 측정된 소자의 투과율은 테라헤르츠파의 입사 방향에 무관하였지만 반사율의 경우 입사하는 방향에 따라 다른 특성을 보임을 알 수 있었다. 또한 반사율은 테라헤르츠 파가 특정 조건을 만족할 때 반사도가 거의 0까지 떨어짐과 동시에 위상이 π만큼 바뀌는 것을 확인하였다. 실험 결과를 이론적 계산값과 비교하였을 때 주요 특성이 서로 일치함을 확인하였다. 또한 쿼츠 기판과 다른 굴절률을 가지는 실리콘 및 PET 필름을 사용한 그래핀 테라헤르츠 변조 소자를 성공적으로 제작하였고, 해당 소자의 변조 특성을 앞서 예측한 계산과 대체적으로 일치함을 확인하였다.