< ZnO (ZnO nanowire) Science 292, 56 (2001)>
나노소자 나노소자 나노소자 나노소자 (1)
(1)(1) (1)
정의 1)
- 나노크기에서 소자의 기본 구성요소인 트랜지스터 스위치 저항 캐패시터 배선을 구, , , , 현하고 이들 구성요소를 조합하여 로직회로 마이크로 프로세서 메모리 등을 구현할, , , 수 있는 소자를 의미한다.
- 기능적으로는 소자가 나노 크기로 작아지면 양자역학 현상이 물리적 성질을 좌우하게 되는데 이 양자역학 현상이 소자에 합당한 기능을 갖도록 제어된 나노 크기의 소자를, 의미 한다.
- ITRS(International Technology Roadmap for Semiconductors)에 따르면 앞으로 10 년 내에 15 ㎚의 선폭 기술을 필요하며 이는 실리콘 기반의 전통적인 트랜지스터 제작기, 술로는 실현이 어렵기 때문에 나노소자가 그 대안이 될 수 있으며 이를 위해선 앞서, 정의한 나노소자의 구조 및 기능적 정의를 만족시켜야 한다.
- 한편 넓은 의미에서 나노소자는 나노 구조체가 핵심적인 기능을 담당하는 전자 소자, 로 정의할 수 있다.
<ITRS 2004>
나노소자의 일반적 제조 방법 2)
- Top-down 방식 : 덩어리(bulk)를 나노크기 까지 깍아 만드는 방식으로 리소그래피를, 이용한 실리콘 소자 제조가 대표적인 예이다 반도체 집적회로. (IC)의 소형화 집적화, 속도로 볼 때 노광원의 한계로 수년 안에 한계가 예상된다.
- Bottom-up 방식 : 원자나 분자의 자기조립(self-assembly), 또는 화학적 합성을 이용한 제작 방식으로 수 nm 규모의 소자 구조체를 쉽게 제작할 수 있으나 아직 구조의 제, 어 및 집적 배열에서 한계를 보이고 있다.
차원 나노소자 차원 나노소자 차원 나노소자 차원 나노소자 (3) 1
(3) 1(3) 1 (3) 1
앞서 기술한 탄소나노튜브나 나노선과 같은 1 차원 나노 구조체를 기반으로 구성된
○
나노 소자이다.
차원 나노소자는 차원 나노 소자에 비해 재현성 균일성 구동방식 신호처리방식
- 1 0 , , ,
에서 기존 회로 기술을 적용할 수 있다는 특징 때문에 산업화에 유리하고 멀지 않은, 장래에 산업화가 가능하다.
차원 나노소자 제작 방법 중 접근 방법에서는 회로 구성이 큰 각광을
- 1 bottom-up
받았으며 현재 집적 회로 구성을 위한 배열, (array) 기술 개발이 활발하다 가장 연구. 가 많이 된 탄소나노튜브의 경우 초창기부터 트랜지스터와 같은 기본 전자 소자가 연구되었으며 나노선도 트랜지스터와 같은 전자 소자와 함께 센서 에너지 변환 태, , ( 양전지 등 다양한 소자를 개발하고 있다 향후) . 1 차원 나노구조체의 정밀 집적과 회 로 구성 기반 기술이 해결되면 나노 집적 소자 개발에서 큰 기술적 파급효과가 있을
것이다.
제작 방법에선 나노선 구조의 서라운드 게이트 구조 트랜지스터 소자 개 - Top-down
발이 주목받고 있다 특히 기존의. 2 차원 소자구조의 단점을 극복할 기하학적인 3 차 원 소자 구조 개발을 위한 나노선 트랜지스터가 top-down 방식의 소자 개발에서 주 요 관심 대상이 되고 있다.
탄소나노튜브를 이용한 트랜지스터 좌
< Dekker et. al Delft Univ. (2001) ( ) 나노선을 이용한 트랜지스터 Nano. Lett. 3, 149 (2003) ( )>우
나 산업화 전개 동향 나 산업화 전개 동향나 산업화 전개 동향 나 산업화 전개 동향....
방식에 의해 나노소자를 구성할 수 있는 기초 및 응용 연구가 활발히 수 Bottom-up
□
행되어 현재 나노튜브 및 나노선의 배열 및 회로화에 대한 수준 높은 기술을 확보하였 고 반도체 소자와 함께 바이오 에너지 환경 분야로 응용 산업 범위를 넓히고 있다 바, , , ( 이오 소자, lab-on-a-chip 등). 국내 수준은 선진국에 비해 크게 뒤떨어 지지 않는 것으로 평가할 수 있다 (80% 이상). Top down 방식에 의한 1 차원 나노 소자의 경우 3 차원 서 라운드 게이트 트랜지스터 구조를 중심으로 산업화 기술 수준이 선진국과 대등 하다 소. 자 각각에 대한 산업화 동향은 다음과 같다.
탄소나노튜브 소자 탄소나노튜브 소자 탄소나노튜브 소자 탄소나노튜브 소자 (1)
(1)(1) (1)
국외 동향 1)
- 초기에 주로 나노튜브의 반도체 특성이나 Coulmb blockade와 같은 새로운 물리적 특 성을 이용한 나노 소자 개발이 활발하였지만 나노튜브의 반도체 특성과 금속 특성을, 조절할 수 있는 기술이 확보하지 못했고 나노튜브들의 배열에서 기술적 장벽을 확인, 하면서 전체적으로 주춤한 상태이다 그러나 나노튜브의 새로운 물리적 특성은 여전히. 소자 구성에 대한 강한 원동력으로 이 분야의 산업화를 이끌고 있다.
- 산업화 유망 분야의 한 예로 기존의 CMOS 칩 내에 소스와 드레인 사이의 실리콘 채 널을 탄소 나노튜브가 대신하는 전계효과 트랜지스터(FET: field effect transistor)가 있 다. FET 경우 고도의 집적도 문제를 피하면서 특수 분야에서 산업화가 가능할 것으로 평가된다.
- 탄소 나노튜브 소자를 개발하는 선도 기업으로 미국의 IBM, 일본의 NEC, 유럽의 을 꼽을 수 있다 주요 기관의 산업화를 위한 기술 개발 동향은 다음과 같다
Infineon . .
국가 연구
- 탄소나노튜브가 응용되는 주요 분야로 디스플레이 메모리 칩, , 나노센서 현미경 팁, 등이 있다.
- 메모리 칩 분야 : 컴퓨터 가전제품 및 국방장비에서 활용이 가능하다 탄소나노튜브로, . 제작된 전자회로는 크기가 매우 작고 전자기적 성질을 조절할 수 있으며 낮은 전력에 서 빠르게 작동할 수 있는 등 뛰어난 장점들을 보유하고 있기 때문에 나노크기의 회로 제작에 활용될 전망이다 미국. Massachusetts의 신진 기업인 Nantero는 나노튜브를 기 반으로 하는 비휘발성 메모리를 개발하고 있고, IBM은 단일 나노튜브들로 진전된 회로 를 제작하는 연구를 진행하고 있다.
- 나노센서 분야 : 독립형 센서로 유용하게 활용될 것으로 보인다 이는 나노튜브를 이용. 하면 저전력에서 동작할 수 있는 극단적으로 민감한 센서를 만드는데 활용될 것으로 전망된다. Stanford 대학의 Hongjie Die는 탄소나노튜브를 기반으로 한 다양한 기체들 과 생체분자에 대한 센서를 연구하고 있고, California 의 Nanomix는 유사한 기술을 상업화하고 있다.
- 현미경 팁 분야 : 주사탐침현미경(SPM)에 활용이 기대되며 특히, Rice 대학의 Richard
그룹과 대학의 는 주사터널현미경 뿐만 아니라 원
Smally Harvard Charls Lieber (STM) 자힘현미경(AFM)에도 탄소나노튜브를 탐침에 부착하여 사용한 바 있다.
- 디스플레이 분야 : 텔레비전 컴퓨터 모니터 국방장비 등에서 활용되어 가치가 창출될, , 것으로 보이며 특히, FET 소자로서 활용이 기대된다 삼성이나. Hitachi, Sony에 의해 제작된 밝고 얇고 효율적인 디스플레이가 전통적인 텔레비전과 컴퓨터 모니터를 대체 할 가능성이 있다.
국내 동향 2)
- 1 차원 나노 소재 합성을 넘어 소자 개발 단계에 진입하고 있으며 세계적으로 높은, 수준을 유지하고 있다 즉 탄소나노튜브 합성 대량생산 소자화 및 제품화에서 경쟁력. , , , 있는 기술을 확보하면서 산업화 기술을 중점적으로 연구하는 시점이다.
- 서울대 임지순 교수 국양 교수 한양대 이철진 교수 성균관대 이영희 교수 등 많은, , , 그룹이 탄소나노튜브의 합성 및 이를 이용한 트랜지스터 전계발광 소자를 개발하였다, . 삼성 종합기술원에서 나노튜브 전계발광 소자를 개발하여 세계 기술을 선도하면서 산 업화 가능성을 보여주었다 일진 나노텍은 탄소나노튜브 대량 생산 기술을 확보하였다. . 앞으로 전계방출소자, NEMS나 센서 분야에서 산업화 기술 개발이 활발할 것이다. - 센서 분야의 경우 가스와 바이오 센서 등이 많은 그룹에서 연구되고 있는데 높은 집,
적도를 요구하지 않는 다는 점에서 가장 빠르게 산업화가 기대되는 분야이다.
- 전체적으로 산업화를 위해 논리 전자소자에서 광전변환이나 에너지 전환소자 분야로 연구중심이 옮겨지고 있으며 바이오 및 의약 분야와 새로운 접목 기술도 활발히 시도, 되고 있다 나노선의 대표적인 해외 연구 그룹은 미국. Harvard Univ. 의 Lieber 그룹, 미국 UC Berkeley Univ. 의 Yang 그룹 그리고 덴마크 Lund Univ. 의 Samuelson 그 룹 이 있으며 대표적인 회사로는, Nanosys Inc. 가 있다.
국가 연구
반 연구가 진행되고 있다.
(3) 주요 제품별주요 제품별주요 제품별주요 제품별 1111 차원 나노소자 산업화 동향차원 나노소자 산업화 동향차원 나노소자 산업화 동향차원 나노소자 산업화 동향
탄소나노튜브 소자 1)
탄소나노튜브 트랜지스터
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- 합성을 넘어 소자 개발 단계에 진입하고 있으며 세계적으로 높은 상온 탄소나노튜브, 가 년 최초로 시연된 이후 실리콘 기반의 트랜지스터 기술의 대안으로 주목받 FET 1998
고 있다. p 형과 n 형 트랜지스터의 선택적인 제조가 가능하면서 산업화를 위한 기반 기술을 구축하였다 즉. , CMOS 기술의 연장선에서 새로운 개념 없이 탄소나노튜브 트 랜지스터를 적용할 수 있게 되었다 실제로 초보적인 단계이기는 하지만. CMOS 인버 터와 동일 기능을 하는 탄소나노튜브 인버터나 트랜지스터의 증폭기능에 의해 작동하, 는 CMOS 링오실레이터가 탄소나노튜브 트랜지스터의 조합으로 시연 되었다.
- 탄소나노튜브 트랜지스터 구성을 위한 물리적 특성은 거의 확인되었으나 산업화를 위, 한 집적 기술은 초보적인 단계이며 앞서 기술한 반도체 특성 제어 실패와 함께 산업, 화의 걸림돌이 되고 있는 상태이기 때문에 이에 대한 해결책에 대해 많이 연구되고 있 다.
최초의 탄소나노튜브를 이용한 트랜지스터
< Nature 393, 49 (1998)>
탄소나노튜브 광소자
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- 탄소나노튜브에 문턱전압이상의 전압을 인가하여 탄소나노튜브의 끝단에서 전자를 방