내 전공 설명하기(2): THz대역의 빛을 어떻게 검출할까

안녕하세요 gotama 입니다.

나의 전공을 문과인 친구들에게도 쉽~게 설명하기위해 정리를 시작했지만 점점 내용이 어려워지고있군요... 최선을 다 해서 2탄을 시작합니다.

지난시간에 내 전공 설명하기(1)에서 광전효과를 이용한 광학분야와 안테나를 이용한 전파분야의 가운데 위치한 THz 대역의 의미와 가치에 대해 설명했었습니다.

내 전공 설명하기(1)THz 대역이 뭐지?: https://steemit.com/kr-youth/@gotama/1-thz

요약하자면 THz 파(mm-wave, Far-infrared;원적외선, T-ray)는 에너지가 낮고 투과율이 좋아서 DNA와 세포를 파괴하는 X-ray 를 대체할 수 있지만 주파수의 에너지와 파장이 모두 크지 않아 공학적으로 사용하기 어려운 대역폭이라는 내용이었습니다.

이번 글에서는 이러한 광전효과도 안테나도 사용하지 못하는 THz 파를 도대체 어떻게 검출해 낼 것인지에 대해 정리해보려 합니다.

사실 광전효과와 안테나로 검출을 해내지 못한다고 설명을 하였지만 극저온상태로 만드는 등의 환경을 조절하면 가능하긴 합니다. 다만 천문학적인 제작비용과 전력소모량 그리고 완성품의 크기를 생각하면 경제적이지 못하기 때문에 경제논리에서 비교적 자유로운 전파천문망원경이나 군사레이더등에만 한정적으로 사용되었습니다.
(공학은 경제논리라는 제한을 생각한다는것이 순수과학과의 차별점이죠!)

극저온상태가 THz 파 검출을 가능하게 한다는 이유를 설명하기 위해 지난 시간에 광전효과라고 퉁치고 넘어간 부분을 더 정확하게 설명할 필요가 있겠습니다.

반도체가 과학적으로 특별한 이유는 전자의 흐름을 “조절” 할수 있다는 점이죠! 이는 물질의 고유한 특성인 밴드갭(bandgap) 에너지 때문인데요, 이 밴드갭이 매우 크면 부도체, 없으면 도체인건 다들 아실겁니다. 평소엔 부도체이다가 이 밴드갭을 넘는 에너지를 받으면 도체가 되버리는 녀석이 반도체인것이죠.

이러한 성질을 이용하여 빛의 에너지에 반응하는 밴드갭(bandgap)을 가진 물질을 골라 사용하여 빛에 노출되어 생성되는 전류를통해 빛의 유무를 감지해 낼 수 있습니다. 여러분들이 사용하는 핸드폰 카메라의 센서나 태양전지가 이 원리로 작동되는 것이죠.
(여기서 중학교과학시간에 배운 광전효과는 금속을 이용한다는걸 기억하신다면 반도체의 밴드갭에너지를 이용하는건 광전효과가 아니라는걸 아시겠지만 재료의에따라 반응하는 빛의 주파수가 정해져있다는게 중요한거죠! 여러분을 속이려고 한건 아닙니다...)

밴드갭이 작은 물질을 사용할수록 더 낮은에너지의 빛을 검출할 수 있게 되는것인데요, 문제는 밴드갭이 작아질수록 빛이 아닌 다른 에너지원에 반응하여 생기는 전류때문에 빛이 들어오지 않을때와 구분이 되지 않는것입니다. (이를 dark current 라고 하고 잡음의 원인인 셈이죠.)

그 빛이아닌 다른에너지원의 대부분이 사실 열에너지이기 때문에 이를 제거해줄 냉장고를 달면 해결된다는 것이죠. 문제는 이 잡음을 제거하기위해 냉장고가 붙어있어야 한다는건(그것도 영하200도 아래로..?) 제작비용과 전력소모 문제를 둘째치더라도 또다른 잡음의 원인이 되기도 하고 크기도 커져버리게 되는것입니다.

그러면 커다란 고성능냉장고 없이는 광전효과를 이용할수 없다는 결론이 나오게 됩니다. 그래서 상온에서는 결국 안테나를 이용해야 하는데 THz 파는 1초에 10^12번 진동하기때문에 안테나에 달린 스위칭소자가 이를 따라가지 못해 on/off 조절이 안된다는것이 문제입니다. 이 스위칭소자의 대표주자가 CMOS(Complimentary MOSFET)라고 불리는 녀석인데요, 바로 이녀석을 제작하는것이 제 전공입니다! 이 녀석만으로 또 3탄을 쓸수 있을것 같기때문에... (자세한 설명은 생략한다)

이녀석도 전자로 작동하기 때문에 전자가 이동하는 속도보다 빠르게 동작할순 없습니다. 이 한계까지의 동작을 Transit mode 라고 하고 (전자 하나가 이동-transit 하기때문에) 5G 통신에서 이용하려 하는 30GHz (1초에 10^10번 켰다껐다 하는 스위치!) 까지는 문제없이 동작합니다. 하지만 THz 는 그것보다 100배 더 빠릅니다...

하지만 전자 하나가 아닌 전자가 모여 릴레이를 한다면 어떨까 하는게 plasmonic mode 입니다. (전자가 플라즈마와 같이 유체적인 성질을 띄는걸 이용하기 때문에 plasmonic)
전자의 흐름을 담는 채널안에 플룻과 같이 공진구조를 만들어 그 내부에 특정 파장의 빛이 들어오면 전자농도가 정상파를 이뤄 검출이 가능해지는 원리입니다.
(실제로 plasmonic mode 에 대해 1993년 처음 제안한 Shur의 논문 제목이 shallow water analogy 를 담고있습니다.) 이는 현재 널리 사용중인 CMOS 공정을 사용하고 크기도 매우 작으며 상온에서 동작이 가능하기 때문에 매우 싼값에 생산이 가능합니다.

물론 여러 기술마다 장단점이 있지만 싸게 만들어야 많이 팔아 소고기도 사먹는거 아니겠습니까. 여기까지 글 마무리하겠습니다. 다음에는 내 전공 설명하기3탄: CMOS는 무엇인가로 돌아오겠습니다.

긴 글 읽어주셔서 감사합니다.