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2014년 5월 24일 토요일

카본 나노 튜브 (CNT) 로 만든 집적회로



 현재의 미세 공정은 실리콘을 기반으로한 반도체 가공 기술에 의존하고 있습니다. 이는 2020 년 이후 10 nm 공정 이하에서는 점차 이론적으로 가능한 미세 공정의 한계에 부딪힐 것으로 생각되고 있습니다. 따라서 세계 주요 IT 기업과 대학에서는 이를 극복할 신소재 중의 하나로 카본 나노 튜브 (CNT : Carbon Nano Tube) 소재를 연구 중에 있습니다. 예를 들면 인텔은 자사의 로드맵에 미래 미세 공정에서 CNT 를 활용할 것이라는 점을 표시한 바 있습니다. 차세대 미세 공정은 아직 미지의 영역이지만 그래핀과 더불어 CNT 는 유력한 후보 물질이라고 할 수 있습니다.  



(과거 등장했던 슬라이드. 현재 5/7 nm 급 미세 공정 연구에 있어 신소재 연구를 병행하고 있다는 점은 널리 알려져 있음    Source : Intel)


 베이징 대학의 티엔 페이 (Tian Pei) 와 그의 동료들은 탄소 나노 튜브를 이용해서 전계 효과 트랜지스터field-effect transistors (FETs) 를 이용한 회로를 구성했습니다. 이들은 하나의 탄소 나노 튜브에 최대 8 개의 트랜지스터를 구성하는 방법으로 컴퓨터에서 데이터를 전송하는데 흔히 사용되는 8-bits BUS system 를 구성했습니다. 연구팀이 만든 CNT 회로는 6 개의 CNT 와 46 개의 트랜지스터로 구성된 집적회로 (IC) 로 CNT 를 사용한 IC 가운데서는 지금까지 나온 것 가운데 가장 복잡한 것이라고 하네요.  



 (SEM image of an eight-transistor (8-T) unit that was fabricated on two CNTs (marked with two white dotted lines). The scale bar is 100 µm. Credit: Pei, et al. ©2014 American Chemical Society.)   



(SEM image of a BUS circuit based on five semiconducting CNTs selected through electrical measurements. The scale bar is 50 µm. Credit: Pei, et al. ©2014 American Chemical Society)


 지난 1998 년에 최초로 CNT FET 이 등장한 이후 CNT 를 이용해서 더 복잡한 IC 를 만드는 것은 많은 연구자들이 도전해왔던 과제라고 합니다. CNT 는 실리콘 기반 회로에 비해서 더 얇고 전도성도 우수해서 초미세 공정의 유력한 후보물질이긴 하지만 실리콘 처럼 다루기가 쉽지 않으며 각각의 CNT 의 크기도 일정하지 않아 이를 이용한 회로를 구성하는데 상당한 어려움이 있었다고 합니다.  


 베이징 대학의 연구팀이 저널 Nano Letters 에 보고한 바에 의하면 이들은 2 개의 CNT 를 병렬로 구성한 8 개의 트랜지스터 유닛을 모듈 구성으로 제작해서 (위의 그림 참조) 훨씬 복잡한 CNT 기반 IC 를 구성할 수 있는 기술적 기반을 마련했다고 합니다. 물론 이 회로는 순수하게 CNT 로만 구성된 것도 아닌데다 생각보다 집적도도 높지 않은 단점이 있지만 더 복잡한 CNT 기반 회로를 연구하는데 가교 역할을 할 것으로 기대됩니다.  


 CNT 기반 회로는 실리콘 기반 회로와 비교했을 때 매우 작고 빠르며 적은 전력만을 소모합니다. 또 매우 낮은 온도나 높은 온도에서도 작동이 가능하며 휠수 있거나 투명한 회로를 만드는 일도 가능합니다. 하지만 현재의 실리콘 웨이퍼처럼 대량으로 쉽게 미세 회로를 새겨넣을 수 없는 한계가 존재합니다. 현재 이 기술적 한계를 뛰어넘기 위해서 많은 곳에서 연구가 진행 중에 있는데 2020 년 이후에는 아마도 가시적인 성과가 나오지 않을지 예상해 봅니다.  


 참고  

Tian Pei, et al. "Modularized Construction of General Integrated Circuits on Individual Carbon Nanotubes." Nano Letters. DOI: 10.1021/nl5001604
Tian Pei, et al. "Modularized Construction of General Integrated Circuits on Individual Carbon Nanotubes." Nano Letters. DOI: 10.1021/nl5001604

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