High-tech

SILICON-FREE 반도체

Rebecca Gibson and Michele Witthaus
23 November 2017

스마트폰, 테블릿, 랩탑, TV, 드론, 스마트와치, 하물며 냉장고에 이르기까지 이 모든 것들의 ‘지능’은 열, 빛,전기장에 노출될 때 전류를 흐르게 하는 작은 반도체에서 나온다. 점점 작아지는 전자장치들이 실리콘기반반도체의 한계를 시험함에 따라 전도성 나노물질의 시장은 성장해가고 있다.

사물인터넷 장치들의 크기가 작아짐에 따라 반도체 제조업체들은 제품을 더 작고 더 강력하고 에너지 효율적이며 신뢰성 높게 만드는 방법을 찾고 있다.그것은 점차 실리콘의 대안을 찾는 것을 의미하게 되었다. 나노물질이 최고 경쟁자로 부상하고있다.

넓게 정의해서 십억분의 일 미터 정도의 물질을칭하는 나노물질은 실리콘보다 빠르고 가볍고에너지효율적이다

“오늘날의 실리콘 반도체는 이미 나노기술이 적용되어 있습니다. 실리콘 장치의 물리적 크기는10 나노미터 수준에 이르렀습니다.”라고 영국 맨체스터대학의 아라빈드 비자야라가반 교수는말했다. “나노튜브, 나노와이어, 나노입자와 같은 수많은 나노물질들이 오늘날 반도체장치 기술의 다양한 분야에서 연구되고 있습니다.”

대체물을 찾는 것은 차세대 반도체 개발에 중요하다고 PwC의 라만 칫카라는 말했다.

“디지털화와 사물인터넷으로부터 오는 붕괴는스마트제조, 자율주행자동차, 드론, 증강 및 가상현실, 로봇과 새로운 형태의 인공지능을 포함할것이며 반도체는 이들과 다른 기술혁신의 필수요소입니다.”리고 칫카라는 말했다.

나노 규모의 반도체

 
탄소나노튜브는 1나노미터 직경의 탄소원자로이루어진 빈 원통모양의 관인데 강철보다 강하다. 이 물질이 반도체의 대체재로서 촉망받는다.탄소나노튜브가 인간의 머리카락보다 만 배 가늘기는 하지만 그 독특한 구조, 즉 극도로 작은크기에 비해 매우 큰 표면적으로 인해 전류를 보다 빠르게 흐르게 하며 실리콘 트렌지스터보다전기의 변화를 보다 빨리 감지할 수 있다.

“탄소나노튜브의 수요는 아주 많습니다.”라고 메사추세츠 웰리즐리에 있는 시장조사기관 BCC리서치의 연구분석가 앤드류 맥윌리엄스는 말했다. “이 물질의 반도체로서의 가장 흥미로운점은 극히 높은 전도성입니다. 반면 이 물질의극히 높은 열전도성은 반도체에 흔히 있는 과도한 열축적을 피할 수 있게 해줍니다.”

예를 들어 위스콘신-메디슨 대학 팀은 2016년에실리콘 트렌지스터보다 전류를 1.9배 더 흐르게하는 탄소나노튜브 트렌지스터를 개발했다. 이팀은 이 새로운 트렌지스터가 종국에는 다섯 배더 빠르거나 다섯 배 덜 에너지를 사용할 것이라고 내다봤다

 “초연결행성으로의 진전은반도체업계의지속적 혁신 없이는이루어질 수 없습니다.”

라만 칫카라(Raman Chitkara)
PWC 글로벌 기술산업 리더

“이러한 성능상의 비약은 논리회로, 고속통신,기타 반도체공학기술 분야에 탄소나노튜브를사용함에 있어 중요한 진전입니다.”라고 동 대학재료공학과 교수 미셸 아놀드는 사이언스어드벤스에 기고한 논문에서 밝혔다.

또 하나의 촉망받는 물질은 다강체라 불리는 자성체이면서도 강유전체인 물질로서 전기극성을뒤집을 수도 있는 성질을 가진다. 이들은 물질의극성에서 연유하는 ‘스핀웨이브’ 라는 특별한 성질 덕분에 장치의 기능을 향상시키는 잠재력을지녔다.

“우리는 기능성물질을 통합하는 사례를 점점 더많이 보게 될 것입니다. 자성체, 강유전체, 다강체, 2차원 물질 등은 장치에 새로운 능력을 부여하기에 충분한 신물질을 채용하는 데에 있어 제조상의 문제를 해결해 줄 것으로 생각됩니다.”라고 캠브리지 MIT의 재료공학과 부학장인 케롤라인 로스는 말했다. 로스는 자성물질과 나노기술 전공이다.

실현가능한 경쟁자를 찾아서

 
어떤 나노물질이 잠재적으로 반도체에 사용될수 있을지를 알아내기 위해서는 상당한 양의 연구시간, 자원, 돈이 소요된다. 하지만 가상시뮬레이션과 디자인소프트웨어가 비용효과적인 도구
가 되어 연구자들이 신속하게 모델을 만들고, 여러 물질의 나노수준의 특성을 예측하고, 가능한선택사항을 집어내고, 반도체공학을 위한 새로운 디자인규칙을 만들어내도록 돕는다

일리노이주 레몬티에 있는 미국 에너지성의 아르곤국립연구소의 연구자들은 2차원 실리콘의성장과 전기전도성을 컴퓨터모델로 시뮬레이션하다가 이것이 경쟁자가 될 수 없다고 빠르게 결론 내렸다. 이 모델은 이후로 계속 발전하여 연구자들이 다른 2차원 물질의 반도체적 특성을신속히 살펴볼 수 있는 수준에 이르렀다.

“결국 우리는 변수들을 최적화하는 가상 실험을실험실에서보다 더 낮은 비용으로 수행했던 것입니다.”라고 아르곤의 물질과학자이자 해당 연구논문의 선임공동저자인 바드리 나라야난은말했다. “이제 다른 사람들은 실험실에서의 수많은 시행착오를 피할 수 있습니다. 대신에 우리모델이 예측하는 최적화된 조건 집합을 이용하여 실험을 진행할 수 있고, 그들이 희망하는 최선의 구조와 성질을 이끌어낼 수 있습니다.”

신물질 만들기

 
3D 프린팅이라 불리는 적층제조기술은 나노물질의 복잡한 구조를 가공하는 데 희망을 주고 있다. 하지만 발전은 느린데 그 이유는 나노물질을반도체로 사용할 정도로 큰 규모로 만들 때 그유용한 성능과 구조특성을 유지시키기가 힘들기 때문이다.

논평가들은 미래에 이러한 과정이 그래핀과 같은 단일원자 2차원물질에 적용될 수 있으리라고제안한다. 그래핀은 알려진 것 중 가장 얇고 강한 물질로서 대량 제조에 용이하다. 그래핀이 유연하고 투명하고 값싸고 높은 열전기전도성을가지고 있기는 하지만 연구자들은 이 물질을 반도체로 변형시키는 밴드갭(가전자대와 전자대사이의 거리)을 만들어낼 방법을 찾아야만 한다.

“그래핀은 전통적인 반도체가 아니라서 직접적으로 실리콘을 대체하지 못합니다. 하지만 그래핀을 다른 2D 물질과 결합한 새로운 터널링 트렌지스터는 잠재적으로 실리콘장치를 대체할수 있습니다.”라고 멘채스터대학의 비자야라가반은 말했다. “그래핀을 닮았지만 밴드갭을 가진다른 2차원 물질들이 전자장치를 만드는 데 사용될 수 있습니다. EU 의 그래핀 연구를 위한 10억 유로 규모의 산학협력체인 유러피언 그래핀플레그쉽이 이 주제에 대한 가장 큰 협력체입니다. 통상적인 컴퓨터칩을 넘어서 그래핀은 양자컴퓨팅에 사용될 수도 있습니다만 아직 연구는걸음마 단계입니다.”

그래핀이 비교적 새로운 물질이긴 하지만 연구자들은 신속하게 그 성질을 활용했다. 예를 들어노르웨이과학기술대학의 연구자들은 태양전지,LED 부품, 센서, 배터리 등에서 반도체로 작용할1마이크로미터 두께의 하이브리드 물질을 만들기 위해 그래핀 위에 반도체 나노와이어를 생성시켰다.

MIT의 로스에 의하면 그래핀과 같은 새로운 나노물질로 반도체를 만드는 과정의 장애물은 이것들을 오늘날의 제조공정에 녹여넣기가 힘들다는 점이다. “명백히 우수한 특성의 물질도 업계에서 널리 쓰이는 실리콘과 양립할 수 있도록만들어져야 합니다.”라고 그녀는 말했다.

잉크가 새 모습으로 단장하다

오늘날 그래핀은 3D 인쇄에 사용될 전도성잉크를 만드는 데 사용된다. 이는 제조업체가 사물인터넷 디바이스를 위한 반도체와 전기회로를 통합할 수 있도록 해준다. 예를 들어 2017년 8월,맨체스터대학은 전도성 산화그래핀잉크를 이용하여 천 위에 직접 스크린인쇄를 할 수 있는 유연성 있는 배터리처럼 생긴 장치를 발표했다.

“간단하고 규모조절이 가능한 인쇄기술을 이용한 그래핀 기반의 유연한 직물성 수퍼축전기는다기능의 차세대 웨어러블 전자직물을 현실화하기 위한 중요한 단계입니다.”라고 영국 국립그래핀연구소의 지식교환담장자이자 해당 연구논문의 공동저자인 나즈물 카림이 이 기술을 발표하면서 말했다. “이것은 환경친화적이고 비용효과적인 스마트 전자직물의 가능성을 열어줄 것입니다. 전자직물을 이용해서 에너지를 저장하고, 사용자의 활동과 생리적조건을 동시에 모니터링할 수 있습니다.”

그래핀 기반 잉크를 RFID 안테나에 적용하는 것은 사물인터넷 응용에 있어서 또하나의 유망한분야이다. “RFID 태그 전체를 인쇄할 수 있을 정도로 그래핀 잉크를 상용화할 수 있다면 비용,전도성, 기타 특성을 최적화하여 점점 커지는 전도성 잉크 시장의 지분을 확실히 차지할 수 있습니다.”리고 BCC의 맥윌리엄스는 말했다.

실리콘 없는 미래?

초기의 성공신호와 급속한 나노기술의 발전에도 불구하고 주류 장치들에 나노물질 반도체를적용하기까지는 적어도 십 년은 더 걸릴 것으로보인다.

“반도체물질 혁신의 가장 중대한 장벽은 집적회로제조업계에 새로운 반도체물질과 상응하는장비 및 기술을 전파하는 일입니다.”라고 중국과학아카데미 반도체연구소의 집적회로첨단공정센터 교수 루오 준은 말했다.

이 문제는 반드시 해결되어야 한다고 PwC의 칫카라는 말했다. “사람들과 장치들이 보다 빠른속도와 안정성, 그리고 낮은 가격으로 통신하는초연결행성으로의 진전은 반도체업계의 지속적혁신 없이는 이루어질 수 없습니다.”

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