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탄소 나노튜브 트랜지스터를 지켜....

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노스웨스턴 대학(Northwestern University)의 연구진은 탄소 나노튜브 트랜지스터가 공기 중에서도 안정적일 수 있도록 새로운 봉지 층(Encapsulation layer)을 만드는데 성공했다. 

탄소 나노튜브로 만들어진 각각의 트랜지스터는 다른 재료로 만들어진 것보다 더 빠르고 더 에너지 효율적이다. 단일 트랜지스터로부터 집적 회로를 만드는 것은 큰 기술적인 도약이다. “단일 마이크로프로세서는 이것 속에 수억 개의 트랜지스터를 가진다”고 노스웨스턴 대학의 Mark Hersam은 말했다. “수억 개의 트랜지스터는 모두 작동해야 하고, 몇 년 또는 수십 년 동안에 안정적으로 작동해야 한다”고 Hersam은 덧붙였다. 

나노튜브 기반의 트랜지스터에서 웨이퍼-크기의 집적 회로를 만들기 위해서는 많은 문제점들이 존재한다. 한 가지 예를 들면, 이런 프로세스는 매우 비용이 많이 들고 종종 공기, 물, 먼지 등을 제어하는 매우 고가의 클린룸을 필요로 한다. 또한 과학자들은 균일하게 분포된 트랜지스터들을 가진 탄소 나노튜브 집적 회로를 만드는데 어려움을 겪고 있다. 이번 연구진은 이런 문제를 해결할 수 있는 새로운 방법을 개발했다. 이 연구의 핵심은 탄소 나노튜브를 환경적 저하로부터 보호하기 위해서 봉지 층을 형성하는 것이다. 해군연구실(Office of Naval Research)과 국립 과학 기금(National Science Foundation)에 의해서 지원된 이 연구는 저널 Nature Nanotechology에 9월 7일자로 게재되었다. 

“탄소 나노튜브와 같은 나노물질은 표면 위에 모든 원자들이 존재한다”고 Walter P. Murphy 교수가 말했다. “이런 재료의 표면을 건드리는 모든 것은 그들의 특성에 영향을 끼칠 수 있다. 우리는 트랜지스터를 만들어서 이것을 공기 중에 노출시켰다. 물과 산소는 나노튜브의 표면에 부착되고, 이것은 시간에 지남에 따라서 트랜지스터를 분해시킨다. 우리는 보호 봉지 층을 추가하는 것이 더 긴 수명을 달성할 수 있을 것이라고 생각했다”고 Murphy 교수가 덧붙였다. 

이번 연구진은 이와 유사한 문제를 겪은 유기 광발광 다이오드와 탄소 나노튜브 집적 회로를 비교했다. 많은 사람들은 유기 LED가 공기 중에서 분해되기 때문에 사용되지 못할 것이라고 추정했다. 과학자들이 재료를 위한 봉지 층을 개발한 후에 유기 LED는 스마트폰, 자동차 라디오, 텔레비전, 디지털 카메라와 같은 많은 제품에 사용되었다. 폴리머와 무기 산화물로 만들어진 이번 연구진의 봉지 층은 동일한 아이디어지만, 탄소 나노튜브용으로 조정되었다. 

이런 개념을 증명하기 위해서, 이번 연구진은 나노튜브 기반의 SRAM(static random-access memory)을 개발했다. SRAM은 모든 마이크로프로세서의 중요 구성요소이고, 일반 컴퓨터의 중앙 처리부 속에 존재하는 트랜지스터의 85%로 구성된다. 캡슐화된 탄소 나노튜브를 제조하기 위해서, 이번 연구진은 이전의 개발된 방법으로 탄소 나노튜브를 증착했다. 그 후에 그들은 봉지 층으로 튜브를 코팅했다. 

캡슐화된 탄소 나노튜브를 사용함으로써, 이번 연구진은 SRAM 회로를 작동하는 어레이를 디자인하고 제조하는데 성공했다. 봉지 층이 환경에 민감한 장치를 보호할 수 있게 할 뿐만 아니라, 그들은 웨이퍼에 존재하는 각각의 트랜지스터의 공간적 균일성을 향상시켰다. 이번 연구진의 집적 회로는 긴 수명을 가졌지만, 동일한 방법으로 증착되었지만 코팅되지 않은 트랜지스터는 수 시간 내에 분해되었다. 

“이 장치를 만든 후에, 우리는 추가적인 조치를 취하지 않은 채 공기 중에 방치시켰다”고 Hersam이 말했다. “우리는 진공 챔버 또는 제어된 환경 속에 그들을 놓아 둘 필요가 없다. 다른 과학자들은 유사한 장치를 만들었지만, 그들은 안정화시키기 위해서 진공 챔버 또는 불활성 환경 속에 그들을 놓아두어야 했다. 이런 장치들은 실제 상황에서 작동하지 않는다.” 이번 연구진은 용액 처리되고 공기 중에 안정화된 SRAM이 새로운 기술에 사용될 수 있다고 상상한다. 플렉서블 탄소 나노튜브 기반의 트랜지스터는 착용 가능한 전자장치를 위해서 단단한 실리콘을 대체할 수 있게 한다. 더 저렴한 제조 방법은 스마트카드를 위한 새로운 길을 열어줄 것이다. 

“스마트카드는 지극히 저렴한 제조 방법을 사용해서 구현될 수 있다면 실현 가능할 것”이라고 그는 말했다. “우리의 용액 처리된 탄소 나노튜브가 확장 가능하고 저렴한 프린팅 방법과 호환되기 때문에, 이 연구결과들은 스마트카드와 관련된 프린트된 전자장치 분야에 사용될 수 있다”고 그는 덧붙였다. 이 연구결과는 저널 Nature Nanotechnology에 “Solution-processed carbon nanotube thin-film complementary static random access memory”라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1038/nnano.2015.197). 

그림. 단일벽 탄소 나노튜브 트랜지스터로 구성된 집적 회로. 
출처 KISTI 미리안 글로벌동향브리핑

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