울산과학기술원(UNIST)이 자율주행과 6G 시대에 최적화된 저전력 비휘발성 무선통신 반도체 소자 개발에 성공했다고 25일 밝혔다.

UNIST 전기전자공학과 김명수 교수와 반도체소재·부품대학원 윤태식 교수팀은 바나듐 산화물 멤리스터 기반 RF 스위치를 새롭게 개발했다.

이 소자를 활용하면 중심 주파수 대역을 조절하는 가변 필터 회로까지 구현 가능해 더 소형화되고 전력 효율성이 높은 통신 장비 제작에 기여할 것으로 기대된다.

RF 스위치는 자율주행차, 스마트폰, VR·AR 등 현대 무선통신 기기에 필수적인 반도체 부품으로, 회로 내 고주파 신호를 특정 위치로 연결하거나 차단해 신호 흐름을 조절하는 기능을 담당한다.

개발된 RF 스위치의 핵심 장점은 대기전력이 전혀 소모되지 않으면서도 고속·대용량 통신에 필요한 고주파 대역에서 안정적으로 작동한다는 점이다.

멤리스터 소자 구조 특성상 전류가 한 번 흘러 변경된 저항 상태가 전원 차단 후에도 지속되는 비휘발성을 갖고 있어 별도의 대기전력 없이도 설정 상태를 유지할 수 있다.

또 저항 상태 전환 속도가 수 나노초 수준으로 매우 빨라 신호 처리 지연을 최소화할 수 있다.

실제 성능 테스트에서 이 반도체 소자는 최대 67GHz까지의 고주파 신호 전송 실험에서 온 상태시 0.46dB 이하의 낮은 삽입 손실과 오프 상태시 20dB 이상의 높은 절연도를 달성했다. 삽입 손실이 낮고 절연도가 높을수록 통신 품질이 향상된다.

시뮬레이션 결과 4.5THz까지 동작이 가능한 것으로 확인됐으며. 이는 현재까지 보고된 산화물 기반 RF 스위치 중 최고 수준의 차단 주파수에 해당한다.

연구팀은 이 RF 스위치를 응용한 가변 대역 통과 필터도 함께 개발했다. 필터는 중심 주파수 기준으로 특정 범위의 주파수만 선별해 통과시키는 전자 회로인데, 개발된 필터는 중심 주파수를 약 600MHz 범위에서 자유롭게 조절할 수 있다.

단일 필터로 다양한 주파수 대역에 대응 가능해 기존 대비 회로 구성이 단순해지고 소형화도 실현할 수 있어 고집적 무선 통신 장치에 매우 유리하다.

김명수 교수는 "멤리스터 기반 RF 스위치가 주파수 선택성과 에너지 효율을 모두 갖춘 소형 RF 프론트엔드 구현에 실질적 기여가 가능함을 입증했다"며 "차세대 무선 통신 시스템 개발의 기반이 될 수 있을 것"이라고 밝혔다.

이번 연구는 국제 학술지 어드밴스드 사이언스에 5월 28일 게재됐으며 과학 기술정보통신부 한국연구재단과 산업통상자원부 한국산업기술진흥원의 지원을 받아 수행됐다.