6G 통신으로 인공지능(AI), 디지털 트윈, 자율주행, AR·VR(증강·가상현실) 등과 같은 무선 환경을 지원하려면 통신 소자가 소비하는 전력을 줄여야만 한다. 기존의 다이오드나 트랜지스터 기반 아날로그 스위치는 작동 하지 않을 때도 대기전력을 소모하는 과제가 있다.

에너지 소모는 통신 시스템을 구성하는 모든 소자들에서 5G를 넘어 차세대 네트워킹에서 가장 중요한 요구 특성 중 하나이다.

멤리스터(memristor), 저항변화 메모리(RRAM), 상변화 메모리(PCM), 그리고 이차원 물질 기반 멤리스터 등 대기전력을 소모하지 않는 특성을 지닌 비휘발성 메모리 소자들은 시스템 에너지 소모를 획기적으로 낮추기 위해 활발히 연구가 진행되고 있다.

여기에, UNIST(총장 이용훈) 전기전자공학과의 김명수 교수는 미국, 프랑스, 이스라엘 연구진과 공동으로 저전력 초고속 아날로그 스위치를 개발했다. 아날로그 스위치는 무선 통신 전파를 골라내 전달하거나 차단하는 데 쓰는 반도체 소자다.

연구팀은 2차원 반도체물질인 이황화몰리브덴을 이용해 대기전력 소모가 0인 아날로그 스위치를 개발했다. 이 스위치는 테라헤르츠 고주파 영역에서도 작동해 IEEE 6G 통신의 데이터 전송 요구 속도인 100Gbit/s의 속도를 만족할 수 있다.

끊기지 않는 AR·VR을 구현하기 위한 복잡한 신호 변조 기술도 지원 가능하다. 신호 변조는 신호를 빠르게 전달하기 위해 전파를 적합한 주파수나 파형으로 바꾸는 과정을 말한다.

실험에서 480 GHz(기가헤르츠)의 측정 범위까지 온(on)상태에서 작은 저항 값과 오프(off)상태에서 작은 커패시터 값을 보였으며, 이는 테라헤르츠 고주파 대역에서 이 스위치가 작동한다는 의미다. 또 다양한 변조 기술에서 최대 100Gbit/s 의 전송 속도를 만족하는 동시에, 이를 낮은 오차율과 높은 신호 대 잡음비로 처리할 수 있었다.

김명수 교수는 “6G 기술용 통신 소자는 100 Gbit/s의 데이터 전송 속도, 테라헤르츠(THz) 영역의 동작 주파수 조건을 만족하는 동시에 복잡한 변조 기술을 지원할 수 있어야 한다”고 설명했다.

김 교수는 이어 “이번 연구로 초고속 통신 조건을 만족하면서도 배터리 사용량은 줄일 수 있는 저전력 통신 소자를 개발해, 6G 통신 시스템 상용화에 기여할 수 있을 것”이라고 기대했다.

이번 연구는 네이처 일렉트로닉스의 ‘연구 브리핑’란에 “2차원 반도체 물질로 만든 전자소자 중 첫 상용화 가능성이 높은 사례”로도 소개됐다.

한편, 이번 연구결과는 네이처의 전기전자공학 권위 자매지인 네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)에 '6G 통신 시스템용 단층 이황화 몰리브덴 스위치(Monolayer molybdenum disulfide switches for 6G communication systems-보기)'란 제목으로 지난 31일자로 게재됐다. 또한 미국 텍사스 오스틴 대학교, 프랑스 릴 대학교, 이스라엘 테크니온공대 연구진이 함께 참여했으며, UNIST U-K 브랜드 과제 등의 지원을 받았다.