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국내 연구진, 꿈의 트랜지스터 SET 획기적 개선

충북대 최중범 교수 연구팀, 네이처 아시아-태평양에서 주목

충북대 나노기술연구소 최중범 교수팀의 연구가 네이처가 발행하는 ‘NPG Asia Materials’지 최신호에서 가장 주목할 만한 연구(Featured Highlight)로 소개됐다.

최 교수의 연구 분야는 꿈의 트랜지스터로 불리는 단전자 트랜지스터(SET, Single Electron Transistor)다. ‘SET’는 전자 하나로 작동되는 트랜지스터로, 미래형 테라급 나노소자로 지목되고 있다.

최 교수 연구팀은 SET가 실제 제품으로 등장하는데 큰 기여를 했다는 평가를 받고 있다. 그동안 상용화의 걸림돌이 되었던 SET의 상온동작 특성을 세계 최고 수준으로 획기적으로 개선해 SET의 상용화를 앞당겨 놓았다.





● 에너지 소비와 열 문제 잡는 SET


컴퓨터 칩은 점점 작아지면서도 속도는 빨라지고 있다. 덕분에 오늘날 컴퓨터 기기는 처음보다 훨씬 더 작으면서도 훨씬 더 많은 일을 해낸다. 하지만 문제가 있다. 점점 더 많이 전기를 소비하고 점점 더 많은 열을 내놓는다.

이 문제를 해결하기 위해 등장한 것이 바로 SET다. SET는 수천 내지 수만 개의 전자 대신 오직 하나의 전자로만 작동된다. 덕분에 에너지도 절약되고 열문제도 잡을 수 있다. 현재 트랜지스터보다 에너지를 무려 수십 배나 줄여줄 수 있는 초절전 그린 나노소자다.

그러나 그동안 SET는 상온에서 동작이 잘 되지 않아 실제 제품으로 등장하는데 앞으로도 상당한 시일이 걸릴 것으로 예상됐다. 그런데 최근 최 교수 연구팀은 신구조의 SET를 개발함으로써 상온동작과 상용화라는 두 마리 토끼를 잡았다.

어떻게 이런 성과를 거둘 수 있었던 걸까. 3가지 성과를 이룬 덕분이다.

첫 번째 성과는 SET의 핵심적인 부분인 양자점을 5nm 이하로 줄인 것이다.

양자점이란 물질의 크기가 5∼10nm(나노미터) 정도로 머리카락 두께의 1만 분의 1 정도 밖에 안 되는 작은 점이다. SET를 만드려면 이런 양자점을 만들 줄 알아야 한다.



상온에서 SET가 동작이 되려면 양자점의 크기가 중요하다. 양자점이 작을수록 좋다. 그래야 전자를 잘 제어할 수 있기 때문이다. 양자점이 작을수록 전자가 양자점으로 들어가는데 넘어야 할 담(에너지 장벽)이 높아진다.

문제는 그동안 양자점이 크다보니 상온에서 담의 높이가 별로 높지 않았다. 때문에 상온에서 전자가 마음대로 들락날락 하는 일이 벌어졌다. 제대로 동작이 되지 않았다는 얘기다.

연구팀은 양자점을 5nm 이하로 줄임으로써 이 문제를 잡았다. 담을 높여 양자점으로의 전자의 출입을 확실히 제어한 것이다.




● 상온동작과 상용화 두 마리 토끼 잡은 비결 3가지


다음으로 이룬 성과는 양자점을 게이트로 전체적으로 둘러싸게 한 점이다. 트랜지스터는 소스, 드레인, 게이트 이렇게 3가지 부분으로 이루어져 있다. 양자점으로의 전자 출입은 게이트를 통해 이뤄진다. 게이트에 전압을 걸면 양자점의 담이 낮아져 다음 전자가 들어가게 된다.

때문에 양자점과 게이트와의 접촉 면적이 중요하다. 하지만 그동안 게이트는 양자점의 윗부분만 덮었다. 최 교수 연구팀은 윗부분만이 아니라 옆 부분도 완전히 둘러싸게 했다. 이렇게 함으로써 양자점과 게이트 간의 상호작용을 극대화키셨다.

그러자 그동안 상온동작에서 가장 골칫거리였던 잡음 문제를 해결할 수 있었다. 신호와 잡음 간의 차이가 높아져 데이터 처리에 오류가 생길 가능성이 줄어들었다. 이렇게 해서 연구팀은 상온에서 동작도 되면서도 성능이 아주 좋은 SET를 개발할 수 있었다.

마지막 성과는 현재 반도체의 주류인 실리콘만 사용했다는 점이다. 이는 SET의 상용화에 큰 영향을 미친다. 그동안 상온동작에서 우수한 성능을 얻기 위해서 실리콘 대신 탄소나노튜브, 금속 나노입자와 같은 비실용적인 재료들이 쓰였다.

하지만 연구팀은 모두 실리콘으로만 사용했기 SET 제작에 기존 반도체산업의 실리콘 기반 인프라를 그대로 활용할 수 있다. 이는 앞으로 SET의 상용화에 있어서 중요한 부분이다.

이번 연구 성과는 지난 9월 미국 응용물리학회지(Applied Physics Letter)에 발표됐다.

 

 

 



박미용 동아사이언스 객원기자 pmiyong@gmail.com



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