울산과학기술원(UNIST)은 비닐처럼 얇고 유연하면서도 뜨거운 열을 견딜 수 있는 차세대 고성능 통신 반도체 스위치를 개발했다고 8일 밝혔다.

김명수 UNIST 전기전자공학과 교수팀은 김민주 단국대학교 교수팀과 공동으로 고성능 유연 RF 스위치를 개발했다. 이 기술은 고온의 열기, 구부러지는 충격 등 가혹한 환경을 버텨야 하는 웨어러블 기기와 자율주행차에 안정적인 5G·6G 통신을 가능하게 할 것으로 주목받고 있다.

RF 스위치는 신호 간섭을 막고 전력을 효율적으로 배분하는 통신 부품이다. 기존 상용화된 RF 스위치는 딱딱하고 접히면 금 가기 쉬운 무기물을 기반으로 한다. RF 스위치를 기기의 접히지 않는 곳에 배치하는 방식으로 폴더블 휴대폰은 만들 수 있지만, 완전히 돌돌 말리거나 입을 수 있는 수준의 통신 기기는 만들 수 없었다.

연구팀이 개발한 RF 스위치는 비닐처럼 얇고 유연한 고분자를 기반으로 하면서도 내열성이 뛰어나고 무기물 RF 스위치와 맞먹는 통신 성능을 지녔다. 일반적인 유기고분자 RF 소자는 유연하지만 열에 잘 녹고 무기물 RF 소자보다 통신 성능이 떨어진다. 특히 5G·6G 대역에서 통신 성능 저하가 심하다.

실험 결과 이 RF 스위치는 128.7℃의 고온 환경에서도 10년 이상 데이터가 유지될 수 있는 수준의 안정성을 보였다. 통신 성능 검증 실험에서는 5G와 6G 통신의 주요 주파수 대역인 밀리미터파(㎜Wave) 대역을 포함해 최대 5.38THz까지 신호를 안정적으로 전달하고 차단할 수 있었다.

5.38THz는 고분자 기반 스위치가 처리할 수 있는 주파수 대역 중 가장 넓은 범위로, 현존하는 유기 고분자 스위치 중 최고 수준의 성능이다. 또 3600회 이상 반복해서 굽혀도 성능 저하 없이 정상 작동해 탁월한 유연성을 증명했다.

연구팀은 특수 고분자 소재인 pV3D3를 이용해 이 같은 RF 스위치를 개발했다. pV3D3는 3차원 그물망 구조로 열에 강하다. 이 소재를 머리카락보다 가는 금박 사이에 적층시켜 RF 스위치를 만들었다.

전압이 가해지면 금박에서 빠져나온 이온이 이동하면서 전기가 흐르는 길이 만들어지고, 전압 방향이 바뀌면 이 통로가 끊어지면서 전류가 차단되는 방식으로 작동한다. 기계적 스위칭 없이 전류 흐름을 껐다가 켜는 멤리스터 방식이다.

이번 연구에는 박성문, 표창우 UNIST 연구원과 유지호 단국대학교 연구원이 제1저자로 참여했다. 김 교수는 "이번 연구는 유연 소자는 열에 약하고 성능이 떨어진다는 편견을 깬 사례"라며 "앞으로 고온이나 굴곡진 환경에서도 작동해야 하는 차세대 웨어러블 통신 기기나 IoT 센서, 자율주행차량의 통신 시스템에 폭넓게 적용될 수 있을 것"이라고 밝혔다.

연구 성과는 한국연구재단 개인기초연구, 정보통신기획평가원(IITP)의 지역지능화혁신인재 양성 사업의 지원으로 수행됐으며, 재료 과학 분야의 세계적 권위지인 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials, IF: 19.0)에 지난달 12일 게재됐다.