테라헤르츠 융합기술 연구 그룹(이하, 테라파 연구 그룹)은 2020년대를 대비한 광주과학기술원 (GIST)의 R&D Roadmap 에 따라, 2010년 1월부터 운영되어온 정보통신공학부 특화기술 연구 그룹입니다. GIST 정보통신공학부는 “초고속 정보통신 시스템 구현”을 목표로 , 전기전자-물리학-광학의 융합 학문 분야를 연구합니다. 특히 저희 테라파 연구 그룹은, 테라헤르츠 통신/부품/소자와 연관 융합기술 연구에 특화되어있습니다.
참여 인력으로는, 조영달 교수 (PI, 테라파 photonics 전반), 박창수 교수 (테라파 전송), 김홍국 교수 (통신 프로토콜), 이동선 교수 (소자 제작), 이종수 교수 (회로 설계 및 시스템)와, 9명의 박사 과정, 19명의 석사 과정 학생이 속해 있습니다.
GIST 정보통신공학부는 개원 이래 “광공학 소자 및 포토닉스 분야”에서 국내에서 독보적인 연구 실적과 연구 인프라를 축적한 바 있습니다. 예를 들어, 대형 공용 연구 시설인 1) 120 평 규모의 클린룸에는 두 대의 MBE-한대의 MOCVD(설치 예정)를 비롯한 다양한 반도체 소자 제작과 측정이 원스톱으로 진행 가능합니다. 2) 광섬유 센서 및 통신에 사용되는 특수 광섬유 제작 시설인 fiber drawing tower 역시 국내 학교 중 유일하게 보유하여, 테라파의 전송과 관련하여 공동 연구에 활용되고 있습니다.
인류 문명의 발달은 다양한 전자기파의 활용과 궤를 같이합니다. 예를 들어, 에디슨의 백열 전구의 발명 (1879)이후의 가시광 대역 활용, 뢴트겐의 x-ray 발견 (1895) 이후의 의료 이미징의 발달은 잘 알려져 있습니다. 전기정보 분야에서 중요한 라디오파(RF)도 특허출원이 1896년인 점을 감안하면 다양한 주파수 대역의 전자기파 발견과 활용은 이미 오랜 역사를 갖고 있습니다. 광공학 입장에서 획기적인 전기는, 1960 년대 트랜지스터를 위시한 반도체 기술을 광소자에 활용한 LED입니다. 이후, 거의 대부분의 전자기파 대역은 반도체를 이용한 소자 (photonics 소자, electronics 소자)로 대체되어 왔습니다.
일반적으로 0.1 테라헤르츠 (THz=1000 GHz)에서 10 THz 주파수 대역으로 분류되는 테라헤르츠 영역은 electronics소자로 접근하던 라디오파나 photonics적으로 접근하던 적외선 사이의 기술적 공백 영역이었으나, 최근 들어 다양한 제반 기술의 획기적인 진보에 힘입어 새로운 21세기 기술로 부상하였습니다.
그림 1의 통신 속도 경향에서 보면 유선(Ethernet, PON)이나 무선 (wireless LAN) 공히 같은 속도로 증가하고 있으며, 마치 반도체의 Moore’s law를 연상시킬 정도입니다. 특히, 2020년대 무선 통신 속도 요구에는 300 GHz 대역의 사업화가 있으며, 이 때문에 2010년 말에 IEEE에서는 THz 대역 무선 통신 표준을 새로이 제정한 바 있습니다. 참고로 그림1의 speed는 데이터 전송률이며, 사용하는 주파수 (carrier)는 전송률보다는 반드시 빨라야 합니다. 즉, 테라파 통신 기술 개발은 당면한 과제입니다.
그 밖에 대표적인 테라헤르츠 기술 응용의 예는 그림 2에서 정리됩니다. 위에서 언급된 1) 차세대 통신 뿐만 아니라, 2) x-ray에 비해 생체에 무해한 비파괴 영상 광원 활용, 3) 환경 보안 활용, 4) 1990년대 이후 지속된 반도체·신소재 연구가 그것입니다.
테라파 연구 관련한 국내의 주요 분야는 통신과 바이오 이미징 입니다. 이에 맞추어, 저희 테라파 연구 그룹의 주요 연구 분야는, I) 테라파 정보 획득 (측정 및 센싱 기술과 database화), II) 테라파 모듈 설계 및 제작, III) 이와 연관된 소자 제작과 IV)회로 설계, 통신 응용을 위한 V)전송 기술 및 프로토콜 연구 등이 있습니다. 각 연구 테마에 따라 다섯 분의 교수님이 다양한 상호 공동 연구를 진행합니다.
조금 더 구체적으로 현재 진행되고 있는 연구 내용은 다음과 같습니다.
- 소형 고효율 발진 소자 연구: 테라헤르츠 영역 통신과 이미징 기술 응용의 주요 bottleneck은 소형 고효율 소재의 부재입니다. 이에 따라, 100-300GHz 영역에서 발진이 가능한 소재의 특성 평가를 진행하고 있습니다. 위의 그림은 다양한 소자 별 출력입니다. 소형 0.1-1 THz 대역 소자로는 1) UTC-PD와 2) 전자 소자인 MMIC (microwave monolithic integrated circuits)가 있지만, 1 mW 이하의 낮은 파워가 단점입니다. 100 mW 정도의 고출력인 분자 가스 THz 레이저, DFG parametric 광원, IMPATT 구조 등은 가격ㆍ크기가 대형으로 실제 산업화에 응용은 어렵습니다. 유일한 소형 테라파 레이저 발진 소자인 THz-QCL (Quantum cascasde laser)은, 극저온 작동-동작 주파수가 1 THz이상이라 실험실 연구 이상을 벗어나지 못하는 실정이고요. 이에 따라, 본 연구실에서는 InAs 나노 패터닝, 그래핀등의 신소재를 활용한 새로운 구조로 소형 고출력 소자 개발은 연구 중입니다. 왼쪽 소자는 본 연구실에서 독자적으로 개발한 예로서 InAs 소자인데, 전자의 확산 속도가 최대인 물질 특성을 활용하기 위한 독특한 패턴을 가지고 있습니다. 이러한 소자는 개발이 되면 다양한 분야와 융합 기술에 활용되어 공동 연구의 시발점이 됩니다.
- 파장한계 극복 영상 시스템 개발: 의료 영상 시스템 활용의 관점에서는 테라파 소자도 중요하지만, 좋은 분해능을 획득하는 것도 중요합니다. 전자기파의 분해능은 그 파장을 넘지 못하는데 이를 diffraction limit이라고 부릅니다. 본 연구실에서는, IR 초고속 레이저를 활용한 새로운 이미징 방법으로, 기존 분해능을 극복하는 방법을 새로이 보고한 바 있는데, 현재는 이 기술의 고도화가 진행 중 입니다.
- 융합 기술 연구: 본 연구실은 다른 연구실과 공동 연구를 통해 세부 내용별로 융합 될 수 있는 시스템을 설계하고 특성 평가하는 연구도 중요한 미션입니다.
- 테라파 통신을 위한 기가비트 데이터전송 기술 연구: 지금까지 해온 밀리미터파 over fiber에 대해 습득한 기술과 이를 통해 구축된 테스트 베드를 기반으로 테라헤르츠파 업컨버전 방법에 응용 가능한 밀리미터파 over fiber를 통한 수 기가비트 데이터 전송 기술 구현에 대해 연구합니다.
- 반도체 기반 테라파 발진 소자 및 연관 기술 연구
- 반도체를 기반으로 한 테라헤르츠 대역 동작 반도체 제작 기술에 대한 기초 연구
- MBE, MOCVD 등의 박막 성장 장비를 이용한 III-V 물질의 성장 두께, 조성, 도핑 농도 조절
- 박막 내부 defect 제어 및 XRD, PL 등을 통한 박막 물성 평가
(2) 테라헤르츠 소자 칩 디자인 및 시뮬레이션 기술 연구
- 성장된 박막으로부터 테라헤르츠 영역에서 동작시킬 수 있는 칩디자인에 대한 연구
- 테라헤르츠 영역에서 동작에 대한 특성 평가를 위한 시뮬레이션 연구
- 테라헤르츠 영역에서 동작하는 소자의 성능지수에 영향을 미치는 파라미터에 대한 연구
(3) III-V 기반 HEMT 전자 소자 제작 및 개선 방안 연구
- 테라헤르츠 영역 발진을 위한 III-V 기반 HEMT 전자 소자 제작
- HEMT의 각 layer 별 구조 최적화를 통한 테라헤르츠 대역에서 동작 성능 개선 연구
테라헤르츠 통신에서의 멀티미디어 전송 오류 패턴 분석 연구: 테라헤르츠 대역의 주파수에서 근거리 무선 통신 응용을 위한 채널 모델과 무선 링크의 성능에 관한 분석 자료를 수집하고 이를 통해 각 중심주파수 별(220, 300, 350 GHz) 전형적인 BER을 설정한다. 또한 해당 BER에서의 에러 패턴을 획득한다.
멀티미디어의 고품질 전송을 위한 packet loss concealment 연구: 멀티미디어 전송시 발생하는 패킷 오류를 복구하기 위하여 비디오 프레임에 대한 손실 복구 방법과 오디오 프레임에 대한 복구방법에 대해 연구한다. 각 방법은 비트스트림 레벨에서의 처리와 신호 레벨에서의 처리를 병행하며, 특히 복구된 비디오 및 오디오 신호에 대한 동기화 연구도 이루어진다.
능동 회로에 대한 기초연구: 수 백 GHz 이상의 테라헤르츠 주파수 대역에서 동작할 수 있는 반도체 기술에 대한 기초 연구와 이를 통해 테라헤르츠 칩셋의 특성 평가 방법 및 측정 시스템 구축하고 있습니다. 또한, 테라헤르츠 융합 기술에 적용될 수 있는 각 개별 칩의 성능 (specifications) 규정 및 이를 만족하기 위한 성능 향상 방법에 대한 연구합니다.
테라헤르츠 모듈을 위한 신호 전송에 대한 기초연구: 반도체 칩으로 구현된 테라헤르츠 능동 소자에 전기적 신호를 인가하기 위한 신호 연결 방법 (electrical interconnection method for THz chipset)에 관해 연구합니다.
테라헤르츠 소자 및 전자회로에 대한 전기적 특성 평가 시스템 구축: 수 백 GHz 대역에서 동작하는 테라헤르츠 소자 및 회로에 대한 전기적 특성 평가를 위하여 필요한 각종 계측 장비 (예: 미국 에질런트사에서 개발한 PNA-X VNA (vector network analyzer) )및 소모 부품 (악세서리)을 구비하여 본 테라파 연구 그룹에서 독자적으로 제작, 개발된 각종 테라헤르츠 소자 및 회로에 대한 전기적 특성 평가 시스템 구축.
본 연구 그룹에 속한 교수님 실험실의 구체적인 성과는 링크된 홈페이지를 참조 하세요. 또한, 본 학부는 매년 2회에 걸쳐 오픈랩 행사를 개최하며, 이를 통해 실험실 탐방할 기회가 있으니 관심있는 분은 학부 홈페이지를 참조하여 신청하시기 바랍니다. 참고로 아래는 GIST의 대학원 건물 조감도와 정보통신공학부의 위치입니다.
[ⅰ] http://infcom1.gist.ac.kr/
[ⅱ] "10 Emerging Technologies That Will Change Your World", MIT Tech. Rev.2004; "10 Tech Concepts You Need to Know for 2009", Popular Mechanics; 조영달, 이종수 "테라헤르츠 통신: 동향과 전망", 물리학과 첨단 기술 2010년 3월 호, p 20.
[ⅲ] IEEE802_15_08_0133_00_0thz.
테라헤르츠 융합기술 연구 그룹(이하, 테라파 연구 그룹)은 2020년대를 대비한 광주과학기술원 (GIST)의 R&D Roadmap 에 따라, 2010년 1월부터 운영되어온 정보통신공학부 특화기술 연구 그룹입니다. GIST 정보통신공학부는 “초고속 정보통신 시스템 구현”을 목표로 , 전기전자-물리학-광학의 융합 학문 분야를 연구합니다. 특히 저희 테라파 연구 그룹은, 테라헤르츠 통신/부품/소자와 연관 융합기술 연구에 특화되어있습니다.
참여 인력으로는, 조영달 교수 (PI, 테라파 photonics 전반), 박창수 교수 (테라파 전송), 김홍국 교수 (통신 프로토콜), 이동선 교수 (소자 제작), 이종수 교수 (회로 설계 및 시스템)와, 9명의 박사 과정, 19명의 석사 과정 학생이 속해 있습니다.
GIST 정보통신공학부는 개원 이래 “광공학 소자 및 포토닉스 분야”에서 국내에서 독보적인 연구 실적과 연구 인프라를 축적한 바 있습니다. 예를 들어, 대형 공용 연구 시설인 1) 120 평 규모의 클린룸에는 두 대의 MBE-한대의 MOCVD(설치 예정)를 비롯한 다양한 반도체 소자 제작과 측정이 원스톱으로 진행 가능합니다. 2) 광섬유 센서 및 통신에 사용되는 특수 광섬유 제작 시설인 fiber drawing tower 역시 국내 학교 중 유일하게 보유하여, 테라파의 전송과 관련하여 공동 연구에 활용되고 있습니다.
인류 문명의 발달은 다양한 전자기파의 활용과 궤를 같이합니다. 예를 들어, 에디슨의 백열 전구의 발명 (1879)이후의 가시광 대역 활용, 뢴트겐의 x-ray 발견 (1895) 이후의 의료 이미징의 발달은 잘 알려져 있습니다. 전기정보 분야에서 중요한 라디오파(RF)도 특허출원이 1896년인 점을 감안하면 다양한 주파수 대역의 전자기파 발견과 활용은 이미 오랜 역사를 갖고 있습니다. 광공학 입장에서 획기적인 전기는, 1960 년대 트랜지스터를 위시한 반도체 기술을 광소자에 활용한 LED입니다. 이후, 거의 대부분의 전자기파 대역은 반도체를 이용한 소자 (photonics 소자, electronics 소자)로 대체되어 왔습니다.
일반적으로 0.1 테라헤르츠 (THz=1000 GHz)에서 10 THz 주파수 대역으로 분류되는 테라헤르츠 영역은 electronics소자로 접근하던 라디오파나 photonics적으로 접근하던 적외선 사이의 기술적 공백 영역이었으나, 최근 들어 다양한 제반 기술의 획기적인 진보에 힘입어 새로운 21세기 기술로 부상하였습니다.
그림 1의 통신 속도 경향에서 보면 유선(Ethernet, PON)이나 무선 (wireless LAN) 공히 같은 속도로 증가하고 있으며, 마치 반도체의 Moore’s law를 연상시킬 정도입니다. 특히, 2020년대 무선 통신 속도 요구에는 300 GHz 대역의 사업화가 있으며, 이 때문에 2010년 말에 IEEE에서는 THz 대역 무선 통신 표준을 새로이 제정한 바 있습니다. 참고로 그림1의 speed는 데이터 전송률이며, 사용하는 주파수 (carrier)는 전송률보다는 반드시 빨라야 합니다. 즉, 테라파 통신 기술 개발은 당면한 과제입니다.
그 밖에 대표적인 테라헤르츠 기술 응용의 예는 그림 2에서 정리됩니다. 위에서 언급된 1) 차세대 통신 뿐만 아니라, 2) x-ray에 비해 생체에 무해한 비파괴 영상 광원 활용, 3) 환경 보안 활용, 4) 1990년대 이후 지속된 반도체·신소재 연구가 그것입니다.
테라파 연구 관련한 국내의 주요 분야는 통신과 바이오 이미징 입니다. 이에 맞추어, 저희 테라파 연구 그룹의 주요 연구 분야는, I) 테라파 정보 획득 (측정 및 센싱 기술과 database화), II) 테라파 모듈 설계 및 제작, III) 이와 연관된 소자 제작과 IV)회로 설계, 통신 응용을 위한 V)전송 기술 및 프로토콜 연구 등이 있습니다. 각 연구 테마에 따라 다섯 분의 교수님이 다양한 상호 공동 연구를 진행합니다.
조금 더 구체적으로 현재 진행되고 있는 연구 내용은 다음과 같습니다.
l 소형 고효율 발진 소자 연구: 테라헤르츠 영역 통신과 이미징 기술 응용의 주요 bottleneck은 소형 고효율 소재의 부재입니다. 이에 따라, 100-300GHz 영역에서 발진이 가능한 소재의 특성 평가를 진행하고 있습니다. 위의 그림은 다양한 소자 별 출력입니다. 소형 0.1-1 THz 대역 소자로는 1) UTC-PD와 2) 전자 소자인 MMIC (microwave monolithic integrated circuits)가 있지만, 1 mW 이하의 낮은 파워가 단점입니다. 100 mW 정도의 고출력인 분자 가스 THz 레이저, DFG parametric 광원, IMPATT 구조 등은 가격ㆍ크기가 대형으로 실제 산업화에 응용은 어렵습니다. 유일한 소형 테라파 레이저 발진 소자인 THz-QCL (Quantum cascasde laser)은, 극저온 작동-동작 주파수가 1 THz이상이라 실험실 연구
l 파장한계 극복 영상 시스템 개발: 의료 영상 시스템 활용의 관점에서는 테라파 소자도 중요하지만, 좋은 분해능을 획득하는 것도 중요합니다. 전자기파의 분해능은 그 파장을 넘지 못하는데 이를 diffraction limit이라고 부릅니다. 본 연구실에서는, IR 초고속 레이저를 활용한 새로운 이미징 방법으로, 기존 분해능을 극복하는 방법을 새로이 보고한 바 있는데, 현재는 이 기술의 고도화가 진행 중 입니다.
l 융합 기술 연구: 본 연구실은 다른 연구실과 공동 연구를 통해 세부 내용별로 융합 될 수 있는 시스템을 설계하고 특성 평가하는 연구도 중요한 미션입니다.
l 테라파 통신을 위한 기가비트 데이터전송 기술 연구: 지금까지 해온 밀리미터파 over fiber에 대해 습득한 기술과 이를 통해 구축된 테스트 베드를 기반으로 테라헤르츠파 업컨버전 방법에 응용 가능한 밀리미터파 over fiber를 통한 수 기가비트 데이터 전송 기술 구현에 대해 연구합니다.
l 테라헤르츠파 over fiber 통신 기반 기술 연구: 광 단일모드(잠김) 레이저 소스와 광변조기를 이용한 100GHz대 서브-테라헤르츠파 캐리어 생성법을 접근한 광 업컨버전 기술 연구와 생성한 100GHz대 서브-테라헤르츠파 캐리어 특성 측정 연구를 진행 중입니다. 덧붙여서, 무선 통신 구현에 필요한 서브-테라헤르츠파 응용 기법에 대해서도 연구합니다.
l 반도체 기반 테라파 발진 소자 및 연관 기술 연구
(1) HEMT 전자 소자 박막 성장 및 물성 분석 연구
- 반도체를 기반으로 한 테라헤르츠 대역 동작 반도체 제작 기술에 대한 기초 연구
- MBE, MOCVD 등의 박막 성장 장비를 이용한 III-V 물질의 성장 두께, 조성, 도핑 농도 조절
- 박막 내부 defect 제어 및 XRD, PL 등을 통한 박막 물성 평가
(2) 테라헤르츠 소자 칩 디자인 및 시뮬레이션 기술 연구
- 성장된 박막으로부터 테라헤르츠 영역에서 동작시킬 수 있는 칩디자인에 대한 연구
- 테라헤르츠 영역에서 동작에 대한 특성 평가를 위한 시뮬레이션 연구
- 테라헤르츠 영역에서 동작하는 소자의 성능지수에 영향을 미치는 파라미터에 대한 연구
(3) III-V 기반 HEMT 전자 소자 제작 및 개선 방안 연구
- 테라헤르츠 영역 발진을 위한 III-V 기반 HEMT 전자 소자 제작
- HEMT의 각 layer 별 구조 최적화를 통한 테라헤르츠 대역에서 동작 성능 개선 연구
l 테라헤르츠 통신에서의 멀티미디어 전송 오류 패턴 분석 연구: 테라헤르츠 대역의 주파수에서 근거리 무선 통신 응용을 위한 채널 모델과 무선 링크의 성능에 관한 분석 자료를 수집하고 이를 통해 각 중심주파수 별(220, 300, 350 GHz) 전형적인 BER을 설정한다. 또한 해당 BER에서의 에러 패턴을 획득한다.
l 멀티미디어의 고품질 전송을 위한 packet loss concealment 연구: 멀티미디어 전송시 발생하는 패킷 오류를 복구하기 위하여 비디오 프레임에 대한 손실 복구 방법과 오디오 프레임에 대한 복구방법에 대해 연구한다. 각 방법은 비트스트림 레벨에서의 처리와 신호 레벨에서의 처리를 병행하며, 특히 복구된 비디오 및 오디오 신호에 대한 동기화 연구도 이루어진다.
l 능동 회로에 대한 기초연구: 수 백 GHz 이상의 테라헤르츠 주파수 대역에서 동작할 수 있는 반도체 기술에 대한 기초 연구와 이를 통해 테라헤르츠 칩셋의 특성 평가 방법 및 측정 시스템 구축하고 있습니다. 또한, 테라헤르츠 융합 기술에 적용될 수 있는 각 개별 칩의 성능 (specifications) 규정 및 이를 만족하기 위한 성능 향상 방법에 대한 연구합니다.
l 테라헤르츠 모듈을 위한 신호 전송에 대한 기초연구: 반도체 칩으로 구현된 테라헤르츠 능동 소자에 전기적 신호를 인가하기 위한 신호 연결 방법 (electrical interconnection method for THz chipset)에 관해 연구합니다.
l 테라헤르츠 소자 및 전자회로에 대한 전기적 특성 평가 시스템 구축: 수 백 GHz 대역에서 동작하는 테라헤르츠 소자 및 회로에 대한 전기적 특성 평가를 위하여 필요한 각종 계측 장비 (예: 미국 에질런트사에서 개발한 PNA-X VNA (vector network analyzer) )및 소모 부품 (악세서리)을 구비하여 본 테라파 연구 그룹에서 독자적으로 제작, 개발된 각종 테라헤르츠 소자 및 회로에 대한 전기적 특성 평가 시스템 구축.
본 연구 그룹에 속한 교수님 실험실의 구체적인 성과는 링크된 홈페이지를 참조 하세요. 또한, 본 학부는 매년 2회에 걸쳐 오픈랩 행사를 개최하며, 이를 통해 실험실 탐방할 기회가 있으니 관심있는 분은 학부 홈페이지를 참조하여 신청하시기 바랍니다. 참고로 아래는 GIST의 대학원 건물 조감도와 정보통신공학부의 위치입니다.
[ⅰ] http://infcom1.gist.ac.kr/
[ⅱ] "10 Emerging Technologies That Will Change Your World", MIT Tech. Rev.2004; "10 Tech Concepts You Need to Know for 2009", Popular Mechanics; 조영달, 이종수 "테라헤르츠 통신: 동향과 전망", 물리학과 첨단 기술 2010년 3월 호, p 20.
[ⅲ] IEEE802_15_08_0133_00_0thz.
