[논문]탄소나노튜브를 활용한 나노 통신 시스템 연구

권태수; 황경호

doi:10.13067/jkiecs.2016.11.9.877

탄소나노튜브를 활용한 나노 통신 시스템 연구
Nano Communication Systems Using Carbon Nanotube 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.11 no.9, 2016년, pp.877 - 884

권태수 (서울과학기술대학교 컴퓨터공학과) , 황경호 (한밭대학교 컴퓨터공학과)

초록
AI-Helper

나노 통신 시스템 기술은 통신기술과 나노기술의 융합 분야로서 밀리미터 수준의 통신 모듈 크기에 머물고 있는 현 기술수준을 뛰어넘어 수백 나노미터에서 수십 마이크로미터 이하 단위의 극소형 무선통신 시스템 구현을 가능케 하는 미래 핵심 기술 분야이다. 특히, 최근 제안된 탄소나노튜브의 전기적/기계적 속성을 활용한 신규 극소형 나노 무선 통신시스템 기술은 기존 송수신 구조를 단순히 소형화하는 것이 아니라 구조 자체를 바꾸는 새로운 접근 방식을 제시하고 있다. 따라서, 본 논문에서는 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT)를 활용한 극소형 나노 무선 송수신기 실현 관점에서의 연구현황을 살펴보고 나노 기술과 통신 기술의 융합을 위한 주요 핵심 연구이슈를 제시한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Nano communication system technologies are future core technologies that facilitate the implementation of tiny wireless communication systems with sizes in the range of hundreds of nanometers to tens of micrometers, which cannot be implemented by current wireless communication system technologies. In particular, novel nano communication system technology, which is based on electrical and mechanical resonance characteristics of carbon nanotube(: CNT), does not simply miniaturize system modules, but suggests a new approach that changes system architectures. Therefore, this paper surveys the state of the art on CNT-based nano communication technologies in aspects of system implementation, and proposes important research issues for convergence of nano and communication technologies.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이와 같은 CNT의 전기적/기계적 속성을 활용한 신규 극소형 나노 무선 통신 기술은 통신기술과 나노기술의 융합 분야로서 밀리미터 수준의 통신 모듈 크기에 머물고 있는 현 기술수준을 뛰어넘어 수 마이크로미터 혹은 수십에서 수백 나노미터 이하 단위의 나노 무선통신 시스템 구현을 가능케 하는 미래 핵심 기술 분야라 할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 CNT를 활용한 극소형 나노 무선 송수신기 실현 관점에서의 연구현황을 살펴보고 나노 기술과 통신 기술의 융합을 위한 주요 연구이슈를 논의해보고자 한다.
본 논문에서는 CNT의 기계적/전기적 공진 속성을 이용한 나노 통신 시스템 실현의 잠재성을 수신기구현 측면, 송신기 구현 측면, 나노 통신신호처리 및 시스템 성능 개선 측면, 실리콘 기반 시스템 기술과 나노 통신 기술의 결합 측면 및 나노 시스템 자체 설계 측면에서 살펴보았다. 비록 현재 각 기술은 실험실 수준의 검증 단계에 머물고 있으나, 해당 기술은 기존 통신 신호처리 기술 및 실리콘 기반 통신 시스템 기술과의 결합 연구를 통해 더욱 발전될 수 있고, 사물 내재 통신, 체내 약물 전달 제어 등 다양한 기술적 응용 범위를 가질 수 있을 것으로 기대된다.

제안 방법

한편, 2007년 Berkeley 대학의 Zettl 교수 그룹에서는 CNT의 공진 속성을 이용하여 단 하나의 수백 나노미터 길이의 CNT를 이용한 라디오 구현을 성공하면서 새로운 구조의 극소형 통신시스템 구조를 제시하였다 [4]. 제안된 CNT의 기계적 공진 속성을 활용한 수백 나노미터 크기의 수신기는 기존 무선 수신기 모듈의 축소가 아닌 수신기 구조 자체를 새롭게 설계함으로써 나노 기술에 기반을 둔 극소형 모뎀 설계의 새로운 방향을 제시하고 있다.
또한 CNT의 공진주파수는 cantilever의 기계적 진동원리를 이용하는 것으로 CNT의 길이에 의해 결정된다. 직류 전압에 의해 CNT에 가해지는 전기력에 의한 장력 변화를 통해 CNT의 공진 주파수를 변화시켜 수신 주파수를 20MHz 이상 변화시킬 수 있는 수신기 구조도 제시되었다.

후속연구

CNT 공진 기반 나노 무선통신 기술은 기본 개념 시연 수준의 기술로서 향후 통신 시스템에의 적용을 위해서는 다양한 이슈에 대한 연구가 필요하다. 따라서 잠재적 성능 분석 및 성능 개선 기술 개발을 위한 주요 연구 이슈는 다음과 같다.
둘째, CNT 공진 속성에 대한 물리적 원리에 기반하여 보다 복잡한 연산처리가 가능한 통신신호처리 구조에서 신호 품질 개선뿐만 아니라 전송률 증가를 위한 무선 통신 성능개선 방안에 대한 연구가 필요하다. CNT 공진기는 front-end의 극소형화 가능성과 기존 통신시스템 대비 100-1000배 이상의 Q factor 속성과 같은 기존 통신시스템 구조로는 달성하기 힘든 우수한 특징을 가지고 있다.
따라서 CNT 공진/발진 속성을 활용한 무선통신시스템의 물리적 구현 방안과 기본 구조는 제시된 상태라 할 수 있으며, 앞으로 공학 관점에서의 응용 설계 및 연구가 요구되는 상황이다.
CNT 공진기를 front-end로 사용함에 따라 CNT 공진 속성에 따른 주파수 응답함수의 변화, 열잡음뿐만 아니라 진동 잡음의 존재, 다중 CNT 사용 시의 CNT 길이의 불균등성은 기존 통신신호처리와는 다른 신호 검출판단 기준 및 비트오류율 속성을 보인다. 따라서 CNT 공진의 물리적 속성에 기반하여 채널 모델에 따른 성능변화, 잡음모델 변화에 따른 성능 변화, CNT 길이 및 배치의 확률 속성에 따른 성능 변화, 다양한 중심주파수 및 Q factor의 변화에 따른 성능 변화 등 극소형 무선통신 시스템 성능을 결정할 수 있는 다양한 요인들의 영향 분석 및 최적 통신 시스템 설계 기술에 대한 연구가 필요하다.
CNT 공진기는 전자 발진기 기반의 기존 front-end 대비 위상제어가 어려워 QPSK(: Quadrature Phase Shift Keying)와 같은 위상차를 활용한 변복조 기술 적용에 어려움이 있다. 따라서 다양한 길이를 갖는 CNT를 활용하여 FSK(: Frequency Shift Keying)를 통해 데이터를 다중화 함으로써 전송률을 향상시킬 수 있을 것이다. CNT의 높은 Q factor 속성을 활용하면 기존 front end를 사용할 경우 대비 FSK를 위한 필요 주파수 양을 줄일 수 있다.
따라서 이들 요구사항과 설계변수 간의 관계에 대한 고찰이 선행되어야 한다. 또한 CNT의 극소형화 속성, 길이에 따른 동작 주파수 변화, 높은 Q factor 속성은 다양한 동작 주파수에서 동작하는 작은 크기의 front-end의 설계를 가능하게 하며, 따라서 CNT 기반 통신을 초광대역 통신 시스템에도 적용할 수 있을 것이다. 특히 넓은 범위의 주파수에서의 동작을 요구하는 Cognitive Radio 시스템에 적용 가능한 CNT 기반 주파수 센싱과 통신시스템을 고려할 수 있다.
또한 향후에는 CNT와 CMOS 기술이 결합된 형태를 뛰어넘어 CNT 무선통신 시스템의 모든 기능들이 나노 기술로 구현되어 수 마이크로미터 크기 수준의 나노 센서 디바이스의 출현도 가능할 것이다. 이러한 디바이스는 센서, 무선 송수신기, 안테나, 프로세서, 메모리, 엑츄에이터, 배터리와 같은 각 부분의 기술 발전과 이들의 집적/공정 기술을 필요로 하고, 미래 나노센서 디바이스 출현 시 CNT 무선통신기술은 더욱 주요한 역할을 담당하게 될 것이다.
본 논문에서는 CNT의 기계적/전기적 공진 속성을 이용한 나노 통신 시스템 실현의 잠재성을 수신기구현 측면, 송신기 구현 측면, 나노 통신신호처리 및 시스템 성능 개선 측면, 실리콘 기반 시스템 기술과 나노 통신 기술의 결합 측면 및 나노 시스템 자체 설계 측면에서 살펴보았다. 비록 현재 각 기술은 실험실 수준의 검증 단계에 머물고 있으나, 해당 기술은 기존 통신 신호처리 기술 및 실리콘 기반 통신 시스템 기술과의 결합 연구를 통해 더욱 발전될 수 있고, 사물 내재 통신, 체내 약물 전달 제어 등 다양한 기술적 응용 범위를 가질 수 있을 것으로 기대된다.
하지만 주파수 간격과 SNR 사이의 tradeoff 관계로 인해 통신시스템 설계 시 전송률 관점의 최적화가 필요하다. 뿐만 아니라 다중 CNT 활용 시의 안테나어레이 이득과 같은 신호 증폭 이득을 통한 SNR 개선과 다중화를 통한 전송률 개선 사이의 최적화도 필요하며 CNT 길이의 확률 분포에 따른 전송률 제한정도에 대한 연구도 필요하다. 한편 단순 에너지 검출기를 뛰어넘어 CNT 공진기 활용 통신시스템의 성능을 개선할 수 있는 보다 발전된 통신신호처리 방식에 대한 연구도 중요하다.
셋째, 극소형 장치 및 일반 무선통신 시스템에서의 응용 등 실제 응용시스템의 요구사항을 고려한 주요 통신프로토콜 및 시스템 성능 개선 방안에 대한 연구가 필요하다. CNT 활용에 따른 통신시스템의 극소형화의 대표적 응용처의 예로 약물전달과 같은 마이크로미터 수준의 생물학적/화학적 물질 전달 제어를 고려할 수 있다.
2010년 11월 영국 Cambridge 대학에서 완전한 CMOS 공정 웨이퍼 기반에 CNT를 국부적으로 성장시킬 수 있는 기술을 선보인 바 있고 이는 향후 대량 생산의 가능성을 열어주고 있다[21]. 이러한 CNT와 CMOS의 결합은 CNT 기반의 front-end와 CMOS 기반의 기저대역 처리 구조를 가능케 하여 CNT 기반 통신을 에너지 검출기[16-17]와 같은 단순 구조에 한정하지 않고 통신품질과 전송속도의 개선을 위해 보다 최적화된 형태의 송수신 실현을 가능케 할 것이다. [22]에서는 CNT의 높은 Q factor 속성에 대한 통신에서의 활용을 시도하였고, 109개/cm³의 밀도를 가진 0.
첫째, CNT 공진 속성의 물리적 원리에 기반한 극소형통신 시스템을 위한 통신신호처리 기술 개발과 나노 통신 시스템의 잠재적 성능 분석 연구가 진행되어야 한다. 극소형 시스템은 크기, 연산능력, 배터리 측면의 한계로 인해 매우 단순한 구조에서 동작되어야한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	탄소나노튜브의 공진 주파수는 어떠한 원리를 이용하는 것인가?	최초의 CNT 라디오는 CNT에 200 볼트 이상의 높은 직류 전압을 가해야하는 문제를 가지고 있으며 이러한 문제에 대한 해결책으로 [13]에서는 양자역학적 원리에 기반한 터널링 효과를 활용하는 방안을 제시함으로써 수에서 수십 볼트 수준으로 필요 직류 전압을 낮출 수 있었다. 또한 CNT의 공진주파수는 cantilever의 기계적 진동원리를 이용하는 것으로 CNT의 길이에 의해 결정된다. 직류 전압에 의해 CNT에 가해지는 전기력에 의한 장력 변화를 통해 CNT의 공진 주파수를 변화시켜 수신 주파수를 20MHz 이상 변화시킬 수 있는 수신기 구조도 제시되었다.
	일반적으로 안테나 기술은 무엇에 기반하고 있었는가?	극소형 시스템에서 무선 통신 부분은 크게 회로와 안테나 부분으로 구성될 수 있는데, 실리콘 기반 집적 기술의 발전으로 회로 부분은 이미 수십 마이크로미터 수준의 소형화가 가능한 반면, 안테나의 크기는 주요 무선통신 대역인 수백 MHz - 수 GHz에서 센티미터 단위의 크기를 요구하므로 통신 모듈의 소형화에 있어 극복해야할 주요 분야 중 하나이다 [3]. 일반적으로 안테나 기술은 주로 전자공진에 기반하고 있었으나, 2007년 탄소나노튜브(Carbon nanotube: CNT)의 기계적 공진 속성을 활용한 수백 나노미터 크기의 극소형 라디오가 시연됨으로써 극소형 무선 통신 시스템을 위한 CNT 기술의 활용 가능성이 입증된 바 있다 [4]. 이와 같은 CNT의 전기적/기계적 속성을 활용한 신규 극소형 나노 무선 통신 기술은 통신기술과 나노기술의 융합 분야로서 밀리미터 수준의 통신 모듈 크기에 머물고 있는 현 기술수준을 뛰어넘어 수 마이크로미터 혹은 수십에서 수백 나노미터 이하 단위의 나노 무선통신 시스템 구현을 가능케 하는 미래 핵심 기술 분야라할 수 있다.
	극소형 시스템에서 무선 통신 부분은 어떻게 구성되는가?	극소형 시스템에서 무선 통신 부분은 크게 회로와 안테나 부분으로 구성될 수 있는데, 실리콘 기반 집적 기술의 발전으로 회로 부분은 이미 수십 마이크로미터 수준의 소형화가 가능한 반면, 안테나의 크기는 주요 무선통신 대역인 수백 MHz - 수 GHz에서 센티미터 단위의 크기를 요구하므로 통신 모듈의 소형화에 있어 극복해야할 주요 분야 중 하나이다 [3]. 일반적으로 안테나 기술은 주로 전자공진에 기반하고 있었으나, 2007년 탄소나노튜브(Carbon nanotube: CNT)의 기계적 공진 속성을 활용한 수백 나노미터 크기의 극소형 라디오가 시연됨으로써 극소형 무선 통신 시스템을 위한 CNT 기술의 활용 가능성이 입증된 바 있다 [4].

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