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콜롬비아 대학(Columbia University)의 연구진은 그래핀을 이용해서 가장 작은 주파수 변조 무선 송신기를 만드는데 성공했다. 이 장치는 100 메가헤르츠의 주파수에서 진동하고, 질량 감지와 온-칩(on-chip) 신호 처리 등의 다양한 분야에 적용될 수 있을 것이다. 특히, 이것은 매우 얇은 휴대폰을 디자인하는데 매우 중요하게 적용될 수 있을 것이다. 이 장치는 이전에 만들어졌던 다른 무선 신호원보다 훨씬 더 작고, 이것은 데이터 처리에 사용되는 칩 위에 설치될 수 있다. 그래핀은 단지 원자 한 개 두께를 가진 벌집과 같은 격자로 배열된 탄소 원자 시트이다. 2004년에 발견된 이후로, 이 놀라운 재료는 독특한 전기적 및 기계적 성질 때문에 많이 연구되었다. 일부 과학자들은 전자 산업에서 그래핀이 실리콘을 대체할 수 있을 것이라고 믿고 있다. 그래핀은 나노전자기계적 시스템을 만드는데 이상적이다. 이번 연구진이 만든 새로운 장치는 전압 제어 발진기(voltage controlled oscillator)라고 알려진 나노기계적 전기 부품이고, 약 100메가헤르츠의 주파수 변조(frequency-modulated, FM) 신호를 발생시킨다. 이것은 FM 무선 주파수(87.7 MHz ~ 108 MHz)의 중간 정도에 해당한다. 이번 연구진은 그래핀 나노전자기계적 시스템의 100 MHz 반송파 신호를 조절하기 위해서 저주파수 음악 신호를 적용하는데 성공했다. 그래핀 나노전자기계적 시스템이 기존의 무선 송신기를 대신할 수 없지만, 그들은 다른 무선 신호 처리 분야에 사용될 수 있을 것이다. 전기 회로가 지난 수십 년 동안에 지속적으로 작아졌지만, 소형화하기 어려운 몇몇 장치들이 존재한다. 무선 주파수 신호를 생성하고 처리하는 장치일 경우에 특히 소형화가 어려웠다. 소위 오프-칩(off-chip) 부품들은 많은 공간과 전력을 필요로 하고, 그들의 주파수는 쉽게 변조될 수 없다. 그래핀 나노전자기계적 시스템은 매우 작고 기존의 CMOS 칩 위에 직접적으로 집적될 수 있기 때문에 매우 유망하다. 가장 중요한 것은 그래핀의 놀라운 강도 때문에 폭넓은 범위의 주파수로 변조하기가 쉽다는 점이다. 이번 연구진은 소스(source) 및 드레인(drain) 전극에 그래핀 시트를 접촉시킴으로써 이 장치를 만들었다. 게이트 위의 무선 주파수 신호는 시트(sheet) 진동을 유발했다. 마지막으로, 이번 연구진은 그래핀에 DC 바이어스를 인가하고 그래핀이 진동할 때 이것이 게이트 커패시턴스(gate capacitance)를 지속적으로 변화시키는 트랜지스터로 활용될 수 있다는 것을 증명했다. 이번 연구팀은 네트워크 분석기(network analyzer)를 사용해서 장치의 상온 진동 특성을 조사했다. 발진기를 만들기 위해서, 이번 연구진은 공진 주파수에서 신호 이득(signal gain)을 조절했다. 그 후에 이번 연구진은 게이트와 출력을 연결했다. 이것은 임의적인 열 진동을 증폭시키는 폐회로(closed loop)를 생성하고 장치가 진동하게 만든다. 이번 연구진은 집적 회로 위에 직접적으로 이 장치를 설치할 수 있는 방법을 현재 찾고 있다. 또한 그들은 장치 잡음을 감소하고 발진기의 성능을 향상시키기를 원하고 있다. 이 연구결과는 저널 Nature Nanotechnology에 “Graphene mechanical oscillators with tunable frequency”라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1038/nnano.2013.232). |
