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2014년 2월 1일 토요일

무선 통신에 응용되는 그래핀



 마법의 소재로까지 불리는 그래핀 (Graphene) 은 2 차원 평면 형태의 탄소 분자로 두께는 0.2 nm 에 불과하면서 구리보다 100 배 이상 전기가 잘 통하고 반도체로 사용되는 단결정 실리콘과 비교해서도 100 배 이상 전자를 빠르게 이동시킬 수 있어 차세대 반도체 개발에서 가장 주목받는 소자로 통하고 있습니다. 


 최근 IBM 의 연구자들은 그래핀을 사용한 집적회로 (IC) 를 공개했는데 이는 웨이퍼 크기의 그래핀으로 만들어진 가장 정교한 회로라고 합니다. 연구팀은 이를 바탕으로 기존의 무선 통신이 극적으로 에너지 효율적으로 이뤄질 수 있을 것으로 기대하고 있습니다. 


 모바일의 시대에 접어들면서 가장 중요한 화두가 되고 있는 것이 막대한 양의 데이터를 신속하게 무선으로 전달하면서도 전력을 적게 소모해야 하는 것입니다. 이와 같은 과제는 기존의 소재로는 한계에 부딪히고 있는데 이 분야에 그래핀 회로가 사용된다면 무선 칩들이 소모하는 전력이 극적으로 낮아질 뿐 아니라 매우 빨라질 것으로 기대하고 있습니다. 하지만 실제로 그래핀 소재의 회로를 만드는 것은 간단한 문제가 아니었습니다. 



(IBM 팀이 공개한 그래핀 필드 효과 트랜지스터 (graphene field-effect transistors (GFET)) 와 IC 회로의 주사 전자 현미경 사진  Tilted view scanning electron microscopic (SEM) image revealing the integration of key components in IC with enlarged view showing the advanced gate structure of the graphene field-effect transistors (GFET). Inset image shows crosssectional SEM of embedded T-shaped gate. Scale bar, 500 nm. Credit: IBM ) 


 비록 그래핀이 같은 무게의 강철과 비교할 수 없을 만큼 강도가 높지만 한층에 불과한 벌집 모양 탄소층이다 보니 이를 이용해서 실제 IC 를 만드는 것은 대단히 어려운 일이었다고 합니다. 대부분의 그래핀 층은 반도체 제조 과정에서 쉽게 망가졌습니다. 2011 년 IBM 의 연구팀은 이와 같은 어려운 과제를 극복하고 아날로그 그래핀 집적 회로를 만드는데 성공했지만 그 성능은 만족스럽지 못했습니다.


 IBM 팀은 완전히 새로운 방식을 동원해서 그래핀 필드 효과 트랜지스터와 IC 가 통합된 RF 리시버 (radio frequency receiver) 를 개발하는데 성공했습니다. 이 회로는 200 mm 실리콘 웨이퍼 위에 집적된 것으로 0.6 ㎟ 에 불과한 면적 위에 RF 리시버와 모든 회로를 집적한 것이라고 합니다. 이 회로는 완전한 신호 증폭, 필터링, 다운컨버전 믹싱 (downconversion mixing) 이 가능하며 실제  4.3 GHz 무선 신호를 수신해 디지털 신호로 바꾸는데 성공했다고 합니다. (20 mW 이하의 전력으로 작동이 가능했으며 최초로 보낸 신호는 I-B-M 이었다고 합니다) 


 이 데모 시스템은 기존에 보고되었던 그래핀 집적 회로 대비 10000 배나 성능이 우수한 것으로 이로써 그래핀 나노테크놀로지가 한단계 더 현실에 가까워진 것으로 평가받고 있습니다. IBM 연구소의 물리 과학 연구소의 수장인 수프라틱 구하 (Supratik Guha, Director of Physical Sciences, IBM Research) 는 "이는 처음으로 누군가 그래핀 기기와 회로가 실리콘 기술에 견줄만한 현대적인 무선 통신 기능을 할 수 있음을 보여준 것" 이라고 평가했습니다. 


 만약 대량 생산을 통해 일반적인 기기에 접목이 가능해 진다면 향후 매우 저전력, 저발열, 고성능의 휴대용 디바이스의 개발이 더 용이해질 것으로 기대됩니다.



 참고     


Journal Reference 

1. Shu-Jen Han, Alberto Valdes Garcia, Satoshi Oida, Keith A. Jenkins, Wilfried Haensch. Graphene radio frequency receiver integrated circuit. Nature Communications 5, Article number: 3086 doi:10.1038/ncomms4086






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