알기 쉬운 나노의 과학과 기술
Nano-science and Nano-technology for Non-specialist 날짜: 2022년 1월 3일 (Date: January 3, 2022)
■ 12월 27일 연구 IP의 연습문제 해답 ⇒ Underline/컬러 표시
① 나노 의학 기술을 적용하면 미래의 의료 기술이 질병을 치료하고 진단하는 과정을 보다 예측 가능하게 할 수 있다.
(○×)
② 금으로 코팅한 나노입자들을 이용하면 악성 종양 부위를 보다 효과적으로 조영하여 치료가능하다. (○×)
■ 9차 연구 IP 서론 (2022년 1월 3일 제출)
나노 기술은 이미 정보통신, 특히 반도체 분야에서 중요한 역할을 수행 중임
1. Moore의 법칙: 반도체 칩에 놓인 transistor의 숫자가 18개월 마다 2배로 증가 ⇒ 처음에는 단순한 관찰이었으나 나중에는 반 도체 산업의 목표가 되었음 ⇒ chip에 놓인 트랜지스터의 밀도가 지난 40년 동안은 Moore의 법칙을 따랐음 ⇒ 앞으로 몇 년간 나 노 전자공학의 주된 역할은 laptop 컴퓨터와 다른 전자기기들의 소형화/고기능화에 주도적 역할 ⇒ 마이크로프로세서에 들어가는 트랜지스터의 밀도를 어떻게 증가시키며 10 nm이하로 트랜지스 터의 feature size를 축소시키려면 field effect transistor (FET)의
source와 drain 사이로 전류가 누출 ⇒ 궁극적으로 나노와이어로 channel을 형성 시 누전 방지효과 배가, 공간 배치 효율 증대, chip위에 더 많은 트랜지스터 밀도를 얻을 수 있음.
2. 컴퓨터 메모리 성능 개선: ① 일반적으로 컴퓨터 메모리는 hard drive를 모터로 회전 ⇒ 마그네틱 디스크가 회전 ⇒ 이러한 회전운동으로 더 많은 전력이 소모되고 구동파트가 없는 기억소 자에 비해서 고장날 가능성이 더 높음. ② iPad와 같은 소형 컴 퓨터의 경우 solid-state drive가 더 많이 사용됨. ⇒ 공간도 적게 차지하고 전력 소모도 더 작고 data를 더 빨리 읽을 수 있고 보 다 견고하여 고장이 적음. ⇒ 오늘 날 solid-state drive는 flash 라고 불리는 트랜지스터에 정보를 저장함. ③ 오늘 날 flash transistor 제조업자들은 나노리소그라피 기술을 이용하여 20 nm 정도의 최소 feature size를 갖는 메모리칩을 제조
3. 컴퓨터 마이크로프로세서 내 코어 간 광 데이터 전송: 나노 차 원의 부품을 사용하여 컴퓨터 내에서 data전송 ⇒ 컴퓨터 칩 내 의 마이크로프로세서 core사이의 데이터 전송을 빛으로 OR 컴퓨 터 내부 칩 사이의 데이터 전송도 실시
4. 디스플레이: 최근의 디스플레이 기술의 진보 내용과 이러한 기 술 개발에 나노 기술이 미친 효과를 학습 함 ① 산업체의 패러다 임 ② CRT 기술 (과거) ⇒ LCD, PDP기술 (현재) ⇒ OLED, 양자 점 (미래)
5. 나노 센서 기술: 나노 기술을 적용하여 소량의 화학 약품 증 기, 박테리아, 바이러스를 감지할 수 있음. ① 탄소 나노튜브 ② ZnO 나노 와이어 ③ Pd 나노 입자 ⇒ 이러한 기체 분자나 병원 체가 달라붙으면 저항이나 축전용량이 변화 하는 나노 센서의 제
조 가능 함 ⇒ 이러한 나노 입자들의 크기가 작으므로 3~4개의 기체 분자들이 달라붙어도 전기적 특성이 변화하므로 공기 중의 미량 화학 물질 분자나 미량의 병원균도 감지 함 ⇒ 우리의 목표 는 (폭발물이나 마약 탐지견을 대신할 수 있는) 위험한 물질을 감 지하는 나노 센서를 제조하는 것이다.
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9차 연구 IP: “나노 전자 공학” (2022년 1월 3일 제출)
1. Moore의 법칙: 나노 기술은 이미 정보통신, 특히 반도체 분야
에서 이미 중요한 역할을 수행 중임 ⇒ 컴퓨터 마이크로프로세서 와 기억저장 소자에 적용되는 소형화 기술로 지난 20년간 트랜지 스터의 크기를 100-nm이하의 크기로 줄임 ⇒ 1960년대 말에 미 국 Intel의 공동 설립자인 Gordon E. Moore가 후일 ‘Moore의 법 칙’으로 알려진 기념비적인 관찰을 했음 (chip에 들어있는 트랜지 스터의 숫자가 18개월마다 2배가 되는 것을 관찰 ⇒ 처음에는 단 순한 관찰이었으나 이것이 나중에는 반도체 산업의 목표가 됨. 그결과 칩에 들어가는 트랜지스터의 밀도가 지난 40년 동안은 p. 3 의 그래프에 도해 된 Moore의 법칙을 따랐음.
⇒ 이 법칙을 따르려면 트랜지스터의 크기는 점점 줄어들어야 함 (e.g. 밑의 그림에 나와 있듯이 1947년 Shockley에 의해서 발명 된 최초의 트랜지스터는 높이가 1 cm이고 Ge 단 결정 상에 서로 0.5 mm 떨어진 gold wire로 되어 있었으나 최근 Intel에서 만들 어진 트랜지스터는 45 nm feature size에 quad-core configuration with 731 million transistors. 트랜지스터는 집적 회로 (Integrated Circuit)내에 있는 마이크로프로세서, mass memory, logic gate등의 기본 요소들임 ⇒ 우리가 사용하는 컴퓨 터, 냉장고, 자동차, 휴대전화, 모든 전자 장치의 정보/기억 저장 장치의 핵심이 바로 IC (Integrated Circuit)임.
2. 나노 전자공학의 주요 패러다임은 laptop computer와 기타 전
자기기들의 소형화/고기능화 ⇒ 휴대전화기/손목시계만 한 컴퓨터① 마이크로프로세서 업체들은 나노 리소그라피 기술을 적용하여
⇒ 나노 크기의 트랜지스터, less power and smaller, fitting more transistors on each Si chip
② 이제 우리는 마이크로프로세서에 들어가는 트랜지스터의 밀도 를 어떻게 증가시킬 수 있는가에 관심 ⇒ 나노 리소그라피 기법 의 개선/트랜지스터의 소형화 ⇒ 오늘 날 (밑의 그림의 2009년 수준의) 32-nm 크기의 feature size를 갖는 마이크로프로세서에 는 9억 9500만개의 트랜지스터가 들어감
③ 여기서 나노 전자공학의 의미를 잠깐 되새겨 보면 100 nm의 feature size를 갖는 전자소자들에 적용되는 기술임 ⇒ 보다 구체 적으로 고성능 컴퓨터 칩, 컴퓨터 메모리의 개선 등에 나노 전자 공학이 어떻게 적용될 수 있는지 알아보자
④ 트랜지스터의 크기를 줄이는 것이 컴퓨터의 성능을 현저히 향 상시키는 지름길임 ⓐ 마이크로프로세서에 들어갈 수 있는 트랜 지스터의 수가 증가 ⇒ 장치의 연산 수행 능력 증가 ⓑ 같은 숫
자의 트랜지스터를 갖고 컴퓨터 칩의 크기를 축소시킴 ⇒ 칩의 제조 단가를 감소시킴. ⇒ 그런데 문제는 이러한 나노 리소그라피 기술로 달성 가능한 컴퓨터 칩의 최소 feature크기는 얼마인가?
⇒ IC 회로상에 수억개의 FET 트랜지스터를 포함하고 있는 마이 크로프로세서에 사용되는 FET
가 우측과 밑의 그림에 나와 있다.
-. 전압이 게이트에 걸리면 전류가 흐르고 그렇지 않으면 전류가 흐르지 않음 ⇒ 스위치 기능임. 문제는 channel의 크기가 작아지 게 되면 전압이 게이트에 걸리지 않아도 전류가 source와 drain 사이에 누출될 가능성이 현저히 증가 ⇒ 인텔과 같은 IC 제조업 체들이 p. 5 그림의 2013년 목표인 14 nm정도로 FET의 feature size를 줄이면서 channel을 통한 누전을 방지하고자 p. 7 맨 위 의 두 그림과 같은 finFET를 설계 (22 nm Tri-Gate, Intel in 2011)
⇒ 이러한 finFET와 같은 장치의 잇점은 무엇인가? ⓐ 32 nm 마 이크로프로세서와 같은 속도로 data처리를 해도 전력이 크게 절
감 ⓑ 같은 전력이 소모되는 경우 data (연산) 처리속도가 증가
-. 이제 오른편 그림과 같이 channel로 나노 와이어를 사용하게 되면 어떤 이점이 있는가? ⇒ gate에 전압을 가해서 channel에 흐르는 전류의 누출을 최소로 해 주면서 수직 구조를 가지는 트랜지스터 수백만,
수십억 개를 칩 위에 고밀도로 배열 가능하므로 공간 이용 효율을 극대화 할 수 있다.
⑤ Flash Memory
-. 오늘날 solid-state device는 밑의 두 그림과 같은 flash transistor에 정보를 저장 함.
⇒ 일반적인 FET와 차이점은? Floating gate에 전자가 저장되면 전원을 끄더라도 전자가 그곳에 머무르는데 이는 floating gate가 전자를 붙잡아두는 기능이 있는 절연체로 둘러싸여 있기 때문이 다.
-. Floating gate상의 전자들이 source와 drain 사이의 channel 의 표면에 있는 전자들에 척력을 작용시키므로 트랜지스터를 통 해서 전류가 흐르지 못하게 한다.
-. 컴퓨터가 플래시메모리에서 데이터를 읽을 때 1 (전자들이 floating gate상에 저장되지 않았으므로)을 읽거나 0 (전자들이 floating gate에 저장되어 있으므로 플래시트랜지스터를 통해서 전자가 흐르지 않으므로)을 읽는다.
3. 컴퓨터 마이크로프로세서 내 코어 간 광 데이터 전송
① 오늘날 마이크로프로세서 안에는 1~8개 또는 그 이상의 core 가 있는데 이러한 multiple core processor는 몇 가지 수학이나 논리계산을 동시에 수행가능 ⇒ 마이크로프로세서 코어 내에는 트랜지스터 같은 부품 사이의 연결이 금속선으로 이루어져 있으 나 이것을 탄소나노튜브로 바꾸면 금속보다 더 전기를 잘 통함
② 하나의 코어에서 또 다른 코어로 정보를 전송 시 외부로 나가 는 전기 신호를 빛으로 변환 시켜서 waveguide를 통과 후 다른 core로 이동 ⇒ 여기서 detector가 광 신호를 다시 전기 신호로 변환 시켜 줌. ⇒ 이런 방식으로 하게 되면 데이터 전송속도가 신 속해질 뿐 아니라 전력 소모도 감소. 이 기술의 요체는 결정질 고 체의 나노 구조를 변화시켜서 waveguide를 형성하고 waveguide 로 빛이 통과 함. waveguide의 기능은 결국 에너지 손실 없이 특 정 파장의 빛이 재료를 통과 하는 것임.
-. 여기서 잠시 광통신의 요소를 p. 9 맨 위의 그림으로 알아보 면 ⓐ 빛을 발생시키는 장치 (나노 크기의 광 source) ⓑ 전류로 구동되는 광 스위치 (modulator) ⓒ waveguide (특정 파장의 빛
만 통과) ⓓ detector (전기 신호를 광신호로, vice versa) ⇒ 마 이크로프로세서 코어로 전달 후 마이크로프로세서가 처리할 수 있는 전기신호로 변환 함.
③ 광 소스로 spaser (surface plasmon amplification by stimulated emission of radiation: cf. laser (light amplification by stimulated emission of radiation))를 이루는 나노 입자가 미 국 코넬대학에서 개발 중 ⓐ 나노 광 소스의 크기가 발생하는 빛 의 파장보다 작음: spaser의 크기는 직경이 44-nm인데 여기서 생성된 빛의 파장은 531 nm ⓑ 특정 파장의 빛을 발생시킬 목적 으로 gold core를 둘러싸고 있는 silica shell 내의 색소를 빛이나 전기신호를 주어 에너지를 높이게 되면 색소 분자내의 전자가 gold core로 이동 ⇒ 이렇게 이동한 전자들이 gold core의 전자 들과 전자운 (plasmon)을 형성 ⇒ 이러한 surface plasmon이 우 리가 원하는 색조의 빛과 동등한 파장으로 진동하면서 광 펄스를 형성하여 전파 (similar to laser) ⇒ 컴퓨터의 데이터 처리 속도 를 현저하게 증가
4. 디스플레이
① CRT (음극선관) TV, 흑백 문자전송만 가능하던 휴대폰 디스플 레이 ⇒ LCD TV, 사진/영화를 전송/관람 할 수 있는 휴대폰 액정 디스플레이로 보편화 됨 ⇒ 디스플레이 산업체의 규모도 수십억 달러이고 끊임없이 증가하는 고객의 수요에 대응하는 패러다임
⇒ 다기능성, 이미지와 동영상의 화질을 조합, 낮은 전력소모, 저 렴한 가격, 얇은 두께, 휠 수 있으면 더 좋음, etc.
② 최근의 디스플레이 기술의 진보내용과 이러한 디스플레이 기 술개발 중 OLED (유기 발광 다이오드) 와 양자점-LED에 나노기 술이 어떤 영향을 줄 수 있는지? ⓐ OLED: 현재 주로 사용되는 디스플레이에는 LCD (액정 디스플레이)와 PDP (플라즈마 디스플 레이) 패널이 있다. 이러한 두 가지 디스플레이가 과거의 브라운 관 TV를 교체 ⇒ PDP의 전력 소모량이 LCD보다 훨씬 크므로 LCD만큼 성공한 기술은 아님. 반면 LCD 디스플레이의 경우 지난 수년간 가격이 대폭 하락하여 현재 디스플레이 시장의 대부분을 점유 함.
-. 기존의 CRT와 비교할 때 LCD의 장점은? 두께가 얇고 부피도 작고 (구조와 assembly의 장점 때문에) 화질도 훨씬 선명함. 단 점은? (laptop 사용자들이 경험했듯이) 비스듬한 각도에서 화면이 안보이고 화면을 밝히는데 backlight가 필요 ⇒ 전력 소모의 원인 도 되고 화면의 흑색이 어두운 회색조로 보임.
-. p. 11의 맨 위에 도해된 OLED 기술이 주목받는 이유는 LCD 에 비해서 많은 잇점이 있기 때문 ⇒ ⓐ 발광층이 있어서 backlight로 비추어주지 않아도 스스로 발광하므로 화질이 LCD보 다 선명 ⇒ 흑색이 또렷한 흑색으로 보이며
ⓑ backlight가 없으므로 LCD에 비해서 전력 소비가 낮음.
ⓒ LCD에 비해서 현저히 얇고 가벼움 ⓓ Flexible substrate에도 inkjet printer로 구현가능 함
⇒ roll-up display, displays in fabrics ⓔ LCD는 햇빛 아래서는 보이지 않으나 OLED는 햇빛 아 래에서나 비스듬한 각도에서도 잘 보임.
cf. LCD TV의 단면 (왼편이 뒷면이고 오른편이 화면)
-. 현재 일부 휴대폰 디스플레이에 OLED가 사용 되고 있고 OLED TV도 출현
5. 나노 센서 기술
-. 8차 연구 IP “나노 의학 기술”에서 일부 소개한 나노 의학용 나노 센서에 추가하여 산업체와 환경 분야에서 사용되는 나노 센 서 기술을 간략히 소개 함.
① 나노 센서의 구현 방법: ⓐ 반도체 나노 와이어: ZnO 나노 와 이어를 이용 NO2와 CO 누출 감지 ⇒ 전자는 나노 와이어의 저항
증가 후자는 저항 감소
ⓑ 팔라듐 나노 입자를 이용한 수소센서 ⇒ 위의 그림 (Fig. 6-7) 은 팔라듐 나노 입자들이 수소를 흡수하면 팽창하여 전류가 흐르 는 회로를 형성하는 것을 나타냄.
② 나노 센서의 용도: ⓐ 산업체: 화학약품 증기의 누출 탐지 ⓑ 수소 기체의 누출 탐지 (수소 연료전지 자동차) ⓒ 대기오염 상태 감시: 특정지역 대기오염 수준의 지속적 추적가능
