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Nikkei X-TECH_2024.7.25

NTT∙오카야마대학, 무선통신에 토폴로지 원리 적용
초음파 필터를 100분의 1로 소형화

NTT와 오카야마(岡山)대학은 스마트폰을 비롯한 무선통신 단말기에 사용되는 기가헤르츠대의 초음파 회로에 토폴로지(Topology, 위상기하학) 원리를 적용하는 기술을 개발했다. 이 기술로 반도체칩 상에서도 반사의 영향을 받지 않고 초음파의 흐름을 자유자재로 제어할 수 있게 된다. 지금까지는 1개의 디바이스당 단일 필터 기능 밖에 구축할 수 없었지만, 이번 신기술을 이용하면 다수의 필터를 1개의 작은 기판상에 구축이 가능. 초음파 필터의 소형·고성능화를 기대할 수 있다고 한다.

초음파 필터는 필요한 신호만을 정밀하게 추출하여 수신하는 기능을 가지고 있어 무선 통신 단말기에서 중요한 역할을 담당한다. 고성능 스마트폰에서는 100개 가까운 초음파 필터가 탑재되어 있어 서로 다른 대역의 신호를 송수신한다. 향후에는 고성능화로 인해 한층 더 많은 필터가 필요해지는 한편, 소형화도 요구되고 있다.

그러나 지금까지는 전기 배선과 같이 경로를 구부려 특정한 주파수의 초음파만을 유도하는 것은 어려웠다. 갑작스러운 방향의 변화는 후방으로의 반사를 일으키기 때문이다.

그래서 NTT와 오카야마대학은 수학 이론인 토폴로지을 활용해 기가헤르츠 초음파의 후방 반사를 억제해 전파할 수 있는 ‘토폴로지컬(Topological) 초음파 회로’를 실현했다. 이 회로를 전달하는 초음파는 주위의 주기공(周期孔) 형상에 따라 만들어지는 '토폴로지컬 질서'로 인해 안정적으로 전파된다. 이를 통해 초음파 필터는 기존 기술의 100분의 1 이하의 크기인 수백 마이크로미터로 소형화될 수 있을 전망이다.

구체적으로 이용한 특성은 ‘밸리 유사스핀 의존 전도’라고 불리는 것이다. 도파로에 다수의 주기공을 가진 2 종류의 토폴로지컬 구조를 설계. 이 2종류의 토폴로지컬 구조의 접합면에 외부에서 초음파가 가해지면 서로 반대 방향으로 회전하는 '밸리 유사스핀'이라고 부르는 현상이 발생하며, 이로 인해 접합면을 따라 한 방향의 초음파 전파가 만들어진다.

NTT와 오카야마대학은 향후, 외부 자기장으로 초음파를 동적으로 제어할 수 있는 기술 확립을 목표로 하고 있다. 이 기술의 고성능화를 통해 필터뿐만 아니라, 주파수 변환기와 증폭기 등의 무선통신 단말기에 필요한 처리를 동일한 칩 상에서 처리할 수 있게 된다면 새로운 소형화 및 에너지 효율화를 기대할 수 있다고 한다.

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