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나무로 만든 생분해 반도체?


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 ​오늘날 사용되는 실리콘 기반의 반도체는 20세기 후반에서 21세기 초반 세상을 바꿔놓은 주역입니다. 누구도 컴퓨터나 스마트폰이 우리 생활에 미친 영향을 부인할 수 없을 것입니다. 하지만 영원이 비슷한 소재, 비슷한 반도체만 사용할 수는 없는 일입니다. 인간의 채워지지 않은 욕구는 더 나은 프로세서를 만드려는 시도로 이어지게 되어 있습니다.
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 최근 위스콘신-메디슨 대학(University of Wisconsin-Madison )의 연구자들은 매우 독특한 방법으로 새로운 반도체 칩을 제조하는데 성공했습니다. 이들이 내놓은 것은 놀랍게도 거의 대부분 나무에서 추출한 성분으로 만든 칩입니다.
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 이 대학의 젠키앙 마 교수(UW-Madison electrical and computer engineering professor Zhenqiang "Jack" Ma)가 이끄는 연구팀은 CNF(cellulose nanofibril)라는 물질을 이용한 반도체를 개발했습니다. 일반적으로 나무에 존재하는 섬유질은 반도체의 기반 물질로 사용하기에는 너무 두껍고 다루기 어렵습니다. 그래서 이들은 셀룰로스를 매우 작은 단위의 섬유로 쪼개서 CNF 라는 대체 물질을 만들었습니다.
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 CNF는 매우 가볍고 투명하며 실리콘 결정과는 달리 쉽게 구부릴 수 있습니다. 여기에다 CNF는 기존의 전자 회로와는 달리 생분해가 가능합니다. 이는 매우 놀라운 특성으로 웨어러블 기기나 생체내에 삽입하는 형태의 기기를 개발할 때 아주 유용한 특징입니다. 물론 이외에도 더 많은 분야에서 응용이 가능할 수 있습니다.
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(CNF 기반의 마이크로웨이브 디바이스를 나뭇잎 위에 올려놓은 것. A cellulose nanofibril (CNF) computer chip rests on a leaf.
Credit: Yei Hwan Jung, Wisconsin Nano Engineering Device Laboratory)
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 하지만 여기서 반도체에 대한 상식이 있다면 한 가지 의문이 생길 수 밖에 없습니다. 즉, CNF 한가지 물질로 반도체를 만들 수는 없을 텐데 하는 의문입니다. 당연히 CNF 하나만으로 반도체를 만들 수는 없습니다. CNF 가 하는 역할은 반도체의 서브스트레이트(substrate, 반도체의 기반이 되는 부분, 예를 들어 실리콘 웨이퍼)이며 그위에 회로를 구성할 다른 성분이 필요합니다.
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 연구의 공저자이자 이 대학의 대학원생인 정예환(Yei Hwan Jung, 이름이 한국분이신 듯)은 CNF 기반의 마이크로웨이브 디바이스를 만들기 위해서 갈륨 비소 트랜지스터(gallium arsenide transistors)를 사용했다고 설명했습니다. 하지만 기존의 갈륨 비소 기반의 마이크로웨이브 디바이스에 비해 훨씬 많은 수의 트랜지스터를 만들었다는 것이 그의 설명입니다.
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 그에 의하면 갈륨 비소처럼 독성이 있는 물질을 최대한 줄이기 위해 노력한 결과 5x6mm 정도의 공간에 1,500개에 달하는 갈륨 비소 트랜지스터를 만들 수 있었다고 합니다. 아무튼 이런 물질이 들어간 만큼 독성이 없는 생분해성 반도체라고 말하긴 어렵겠지만, 여전히 매우 얇은 플럭서블 칩인 점은 변하지 않습니다.
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 상용화를 위해서는 앞으로 많은 연구가 필요하겠지만, 아무튼 꽤 재미있는 시도임은 분명해 보입니다. 꼭 CNF 가 아니더라도 미래에는 종이나 천처럼 얇고 쉽게 변형이 가능한 물질들이 여러 가지 전자기기를 만드는데 널리 사용될 것 같습니다. 그 응용범위는 무궁무진할 것으로 기대됩니다.
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 참고


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Journal Reference:
  1. Yei Hwan Jung, Tzu-Hsuan Chang, Huilong Zhang, Chunhua Yao, Qifeng Zheng, Vina W. Yang, Hongyi Mi, Munho Kim, Sang June Cho, Dong-Wook Park, Hao Jiang, Juhwan Lee, Yijie Qiu, Weidong Zhou, Zhiyong Cai, Shaoqin Gong & Zhenqiang Ma. High-performance green flexible electronics based on biodegradable cellulose nanofibril paper. Nature Communications, 2015 DOI: 10.1038/ncomms8170

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