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세상에서 가장 작은 트랜지스터


국내 연구진이 세계에서 가장 작은 트랜지스터를 개발했다. 교육과학기술부는 충북대 나노기술연구소 최중범 교수팀이 2nm(나노미터·1nm=10억분의 1m) 크기의 반도체 트랜지스터를 개발해 세계 최초로 ‘상온 양자효과’를 입증했다고 31일 밝혔다.

양자효과란 트랜지스터 크기가 10nm보다 작거나 영하 200도 이하 극저온에서 전자가 하나씩 움직이는 상태를 말한다. 극저온이 아닌 상온에서 양자효과를 입증한 것은 이번이 처음이다.







사진


△나노 트랜지스터의 구조. π(파이) 모양의 게이트 안쪽에 2nm 크기의 실리콘으로 된 조각이 나노 트랜지스터다. 충북대 나노기술연구소 제공

기존의 트랜지스터가 수만 개의 전자가 한꺼번에 흘러가는 구조였다면 나노 트랜지스터에서는 에너지에 따라 층을 나눠 하나씩 움직인다. 최 교수는 “기존의 트랜지스터가 10차선 도로라면 나노 트랜지스터는 징검다리나 섬인 셈”이라며 “도로에 전자가 빽빽하게 지나가던 것을 계단에 층별로 다른 에너지를 가진 전자가 하나씩 지나가게 바꾼 것”이라고 설명했다.

이동하는 전자의 수가 적기 때문에 반도체의 발열량과 전력소모가 10분의 1로 줄어든다. 또 0,1,2,3의 4가지 입력 값을 연산에 사용해 성능은 10배로 향상됐다. 기존의 트랜지스터는 0과 1만으로 이뤄진 2진법 로직을 사용했다.

예를 들어 트랜지스터 2대로 회로를 만든다고 가정할 때 기존 방식으로는 한 번에 0과 1을 사용해 4가지(2x2) 연산을 수행했지만 나노 트랜지스터로는 16가지(4x4) 연산이 가능하다. 트랜지스터를 여러 대 집적할수록 연산 능력의 차이는 기하급수적으로 벌어진다. 최 교수는 “전력소모를 줄이며 반도체의 성능은 높이는 두 마리 토끼를 잡은 것”이라고 말했다.

나노 트랜지스터는 5~10년 안에 노트북이나 휴대전화 같은 소형 전자 기기에서 쓰이게 될 전망이다. 스마트폰의 성능이 더 좋아지려면 기존 트랜지스터로는 한계가 있다는 게 그의 설명이다. 최 교수는 “나노 트랜지스터를 사용하면 테라바이트(TB·1TB=1024GB)급 스마트폰도 가능하다”고 강조했다.

이 연구는 최 교수팀 주도하에 일본 홋카이도대와 영국 캠브리지대와의 국제협력으로 이뤄졌으며 미국의 나노과학 학술지인 ‘나노 레터즈’ 4월호에 실렸다.

 

 



최세민 동아사이언스 기자 july@donga.com



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