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실리콘 보다 200배 더 민감한 그래....

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싱가포르와 영국 연구진은 센서 칩에 폭넓게 사용되는 실리콘을 대체할 수 있는 새로운 재료를 개발했다. 이 연구결과는 더 작고 더 저렴한 전자 제품을 만들 수 있는 새로운 길을 열어줄 수 있을 것이다. 

반도체 칩이라고 알려진 실리콘 기반의 센서들은 냉장고, 세탁기, 트래픽 접합(traffic junctions) 등의 모든 곳에 사용되지만, 이런 칩들을 더 민감하게 하고 더 빠르게 작동하게 하기 위해서는 더 복잡해지고 더 고가가 되어야 한다. 더 높은 민감도는 신호 전달 시의 에러율을 감소시킬 수 있기 때문에 산업에서 중요시되고 있다. 또한 이것은 특정 전기적 신호가 증폭되어야 할 때 추가적인 회로의 필요성을 없애기 때문에 비용을 감소시킨다. 이것은 더 소형화된 전자 제품을 가능하게 한다. 

“장치의 성능을 향상시키기 위해서는 더 높은 품질을 가진 실리콘 센서를 개발할 필요가 있다”고 이 연구를 이끌었던 싱가포르 국립대학(National University of Singapore)의 Yang Hyunsoo 조교수가 말했다. 대안적인 기술을 개발하기 위해서, 이번 연구진은 그래핀(플렉서블 탄소 시트)을 조사하기 시작했다. 이 연구는 그래핀을 사용하는 새로운 칩이 실리콘 또는 안티몬화 인듐(indium antimonide)을 사용하는 현재의 칩보다 200배 이상 더 민감하다는 것을 증명했다. 

질화붕소 기질 위에 놓인 그래핀 기반의 센서 칩은 전자들이 재료 속을 매우 빠르게 이동할 수 있는 계면을 형성한다. “이런 전자들은 더 큰 민감도를 가진 자기장에 반응할 수 있다”고 Yang이 말했다. 이 재료는 현재 특허 출원 중이다. 그래핀은 종이처럼 플렉서블하다. 이것은 인체 착용형 기술과 결합될 수 있고 온도 변화에도 안정적인 성능을 가진다. 현재의 실리콘 기반의 센서 칩은 구부릴 때 부서지고 상온과 127 ℃ 사이에서 특성들이 변한다. 대부분의 전자 제품의 최대 작동 온도에서는 신뢰성에서 부정적인 영향을 받는다. 그래핀 기반의 칩의 경우에, 이번 연구진은 127 ℃에서 8배 이상의 민감도 이득(gain)을 발견했다. 이것은 더 높은 온도를 가진 환경에서 작동되는 칩을 만든다. 

Yang 교수는 “이것은 자동차 센서에서 온도 보정 메커니즘의 필요성을 대폭 감소시킬 수 있다. 자동차에서만 약 30 ~ 40 개의 자기 센서들이 존재한다”고 말했다. 그래핀을 만드는 비용은 실리콘과 비교했을 때 훨씬 더 낮다. “원래, 모래는 매우 저렴하지만, 실리콘을 만들기 위한 수많은 프로세스는 이것의 비용을 증가시킨다”고 그는 설명했다. “반대로 그래핀은 흑연에서 쉽게 얻을 수 있다. 탄소는 의복, 식물, 곤충 등의 모든 곳에 존재한다”고 그는 덧붙였다. 

이번 연구진은 현재의 2cm의 센서의 폭을 적어도 10배까지 증가시킬 계획이다. 실리콘의 일반적인 웨이퍼 크기는 30cm이다. “산업은 비용을 절감하기 위해서 큰 웨이퍼를 원한다. 이런 문제는 그래핀 센서 재료가 더 큰 웨이퍼에서 더 안정적이고 일관되게 만든다”고 Yang 교수가 말했다. 

센서 칩 산업은 NUS에 따르면 29억 달러까지 성장할 것으로 기대된다. 이 산업은 작년에 18억 달러의 가치가 있을 것으로 추정되었다. 이 연구에는 싱가포르 국립대학의 연구진 이외에도 맨체스터 대학(University of Manchester)의 연구진이 포함되었다. 이 연구결과는 저널 Nature Communications에 "Extremely large magnetoresistance in few-layer graphene/boron–nitride heterostructures"라는 제목으로 게재되었다. 

그림. 4 층 그래핀의 광학 현미경 이미지. 
출처 KISTI 미리안 글로벌동향브리핑

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