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2013년 6월 22일 토요일

상온에서 작동 가능한 양자 터널링 디바이스 - 새로운 트랜지스터의 가능성 ?



 지난 수십년간 반도체 기술은 눈부신 발전을 거뒀지만 회로가 극단적으로 미세해짐에 따라 기존의 반도체 (Semiconductor) 기술은 한계에 도달할 우려가 있습니다. 이에 따라 여러가지 대안적인 기술이 개발 중에 있는데 미시간 공대 (Michigan Technological University) 의 물리학자 Yoke Khin Yap 은 지난 2007 년부터 기존의 실리콘 기반 반도체 트랜지스터를 대체할 새로운  트랜지스터를 개발하기 위해 연구해왔습니다. 


 기존의 트랜지스터의 문제점은 미세화 할수록 누설 전류의 문제가 커지며 이는 전력이 그만큼 낭비되면서 열로 변하기 때문에 전력 소모와 발열, 그리고 미세화 모두에 적지 않은 장애가 되고 있습니다. 미시간 대학의 Yap 과 오크 리지 국립 연구소 (ORNL Oak Ridge National Laboratory  ) 연구자들은 서로 협력을 통해 새로운 나노 스케일 양자 터널링 디바이스르 제작했습니다. 


 이들이 나노스케일 절연체 (nanoscale insulator ) 로 선택한 물질은 질화붕소 나노튜브 (boron nitride nanotubes, or BNNT) 로 이 물질위에 연속적으로 금 (Gold) 으로 만든 양자 점 (quantum dots (QDs)) 을 올려놓아 컨트롤이 가능한 양자 터널링 디바이스를 만드는데 성공했다고 합니다. 각각의 금으로 만든 작은 점들은 크기가 3 나노미터에 불과합니다.  (아래 그림 참조)



Electrons flash across a series of gold quantum dots on boron nitride nanotubes. Michigan Tech scientists made the quantum-tunneling device, which acts like a transistor at room temperature, without using semiconducting materials. (Credit: Yoke Khin Yap graphic))


 이 QDs-BNNTs 기기는 놀랍게도 상온에서도 양자 터널링 효과 (양자 역학에서 원자핵을 구성하는 핵자가 그것을 묶어 놓은 핵력의 포텐셜 장벽보다 낮은 에너지 상태에서도 확률적으로 원자 밖으로 튀어 나가는 현상 )를 구현하여 각각의 양자 점 사이로 전자들이 뛰어 다닐 수 있습니다. 상온에서도 작동을 한다는 점이 중요한데 이제까지 양자 터널링 효과를 이용한 트랜지스터를 실험적으로 만든 적이 있었지만 액체 헬륨으로 냉각하지 않으면 작동하지 않았기 때문입니다. 


 이 QDs-BNNTs 기술은 터널 효과로 인해 누설 전류가 없기 때문에 이론적으로 전력 소모가 매우 적은 트랜지스터를 구현할 수 있습니다. 그렇게 된다면 특히 전력대 성능비의 문제가 중요해지는 현재 시점에서 아주 적절한 기술이라고 할 수 있습니다. 


 다만 아직은 기초 기술 단계로 실제로 생산이 가능한 전자 회로와는 아직 연관성은 적다고 하겠습니다. 아무튼 매우 신기한 방법이라는 생각이 들기는 합니다. 과연 미래에 트랜지스터는 물리적 한계를 극복하기 위해 어떤 모습을 하게 될지 궁금해지는 소식입니다. 


 참고 

Journal Reference:

  1. Chee Huei Lee, Shengyong Qin, Madhusudan A. Savaikar, Jiesheng Wang, Boyi Hao, Dongyan Zhang, Douglas Banyai, John A. Jaszczak, Kendal W. Clark, Juan-Carlos Idrobo, An-Ping Li, Yoke Khin Yap. Room-Temperature Tunneling Behavior of Boron Nitride Nanotubes Functionalized with Gold Quantum Dots. Advanced Materials, 2013; DOI:10.1002/adma.201301339
   

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