[신기술 소개] 나노 컴퓨터의 최근 개발 동향

160 … NICE, 제20권 제2호, 2002

신·기·술·소·개

먼 길을 가야 할 것이다[Nature, Vol. 414, p. 625 (2001)].

지난 25년 간 전자산업에서의 소형화는 과학적/

경제적 진보의 핵심적인 역할을 해왔으며 나노 전 자공학은 차세대의 프론티어로 주목받고 있다. 본 보고서는 나노 컴퓨터의 실현을 위한 획기적인 진 보들에 대하여 간략하게 소개한다.

최근 몇 년 동안, 연구자들은 탄소 나노튜브를 근간으로 하는 분자 크기의 트랜지스터와 반도체 나노와이어에 대하여 보고해 오고 있다. 그러나 최근에 Science 29권 page 1317과 1313에 소개된 Bachtold와 Huang 두 그룹의 연구결과는 최초로 단일 디바이스 수준에서 회로수준으로 발전시킨 분자 전자공학의 진보라고 할 수 있다. 이 두 그룹 은 분자 디바이스의 실용화에 필수적인 두 가지 조 건을 만족하는 새로운 방법을 고안하였다. 여기서 두 가지 조건이란 첫째, 트랜지스터들이 출력/입력 비가 1보다 커서 신호의 증폭을 실현하여야 한다 는 것이고, 둘째 각각의 트랜지스터가 할당된 ‘게 이트’ 접촉에 의하여 조절되어야 한다는 것이다.

Batchtold그룹의 연구는 실리콘 지지체에 흡착 된 반도체 나노튜브가 오늘날의 마이크로 컴퓨터 의 트랜지스터와 같은 거동을 보인다는 동 연구진 의 이전 연구결과를 확장한 것이다. 그러나 이전 의 연구에서는 조절 게이트 접촉이 실리콘 칩 전 체로 이루어 졌기 때문에, 설치된 다중 나노튜브 가 동시에 작동되어야 했으며, 실리콘 옥사이드 절연체의 두께가 두꺼워서 파워 게인이 1보다 작 은 단점이 있었다. 이러한 단점을 해결하기 위하 여 동 연구진은 로컬 게이트 접촉의 패턴 형성을 위하여 전자선 식각법을 적용한 후 공기 중에 노

출시켜 매우 얇은 절연층을 만들어 내었다. 이 결 과로 절연층의 두께가 현저하게 감소되어 나노 튜 브 트랜지스터가 10 이상의 높은 출력/입력 비율 을 나타내며 독립적으로 작동할 수 있게 되었다.

이러한 나노튜브 트랜지스터를 식각에 의하여 생 성된 금 연결부과 함께 연결하여 일련의 논리 회 로를 설계하였다.

Huang의 그룹도 회로를 만들기 위한 이전의 연구를 진보시켰는데, 금년 초에 나노와이어로 이 루어진 다이오드와 쌍극 트랜지스터에 대하여 소 개한 바 있다. 위에 명시된 연구에서, 동 연구진은 OR과 AND 게이트를 다이오드만으로 조립하였 지만, 다른 종류의 회로의 구성을 위하여 나노와 이어 트랜지스터의 개발이 필요하였다. 새로운 나 노와이어 트랜지스터는 두 개의 나노와이어를 교 차시킨 후 산화 절연층을 만들기 위하여 가열하였 다. Bachtold의 나노튜브 트랜지스터와 마찬가지 로 나노와이어 트랜지스터는 절연층 내에서 로컬 게이트 접촉을 특징으로 하며 트랜지스터 회로로 쉽게 변환될 수 있다. 한 가지 특이한 점은 Huang 등이 개발한 나노와이어 트랜지스터는 식각과 같 은 ‘top-down’ 방법이 없이 미세 유체를 활용한

‘bottom-up’ 방식의 병렬 조립법으로 조립된다는 사실이다. 이러한 특징으로 인하여 많은 수의 디 바이스를 만들어 재현성있게 시험할 수 있는 장점 이 있다.

위에서 언급한 두 연구 그룹이외에도 여러 연구 자들에 의하여 분자 크기의 컴퓨터를 개발하기 위 한 다각적인 노력이 전개되고 있는데, 전체적으로 크게 네 가지 방법으로 분류해 볼 수 있다[그림 1]. 이를 나열해 보면, 반도체와 금속의 나노와이 어, 탄소 나노튜브와 fullerene, 저분자 유기 물질, 그리고 생물 분자를 이용하는 방법이다.

현재까지 이룩한 나노 전자공학의 가장 주목할 만한 진보는 각각의 분자 또는 분자 크기의 구조

를 논리 회로로 조립이 가능하다는 점이다. 실제 로 나노 컴퓨터가 상업화되기 위하여 해결해야할 난제들이 아직 많이 남아있는 것이 사실이지만, 지금까지의 연구 성과에 비추어 볼 때 분자 전자 공학과 나노기술은 매우 유망할 것으로 예측된다 [Science, Vol 294, p. 1293(2001)].

미세 유로 시스템은 생물학과 생명공학기술에 서 널리 사용되고 있다. 주된 응용분야는 DNA와 단백질의 분석, 세포의 분류, 고성능 분리, 화학반 응, 그리고 1-100nl의 적은 부피의 이송 등이다.

화학적인 분석을 목적으로 미세 유로 디바이스가 사용되려면 우선 가격이 저렴해야 하고 작동이 용 이해야 한다. 이러한 관점에서 볼 때, 압력에 의하 여 작동되는 시스템이 필요하며 동시에 가능하면 최소의 구동 부품으로 이루어지는 것이 바람직하 다. 미세 유로의 설계는 전류 또는 미세 가공에 필 요한 식각 기술의 적용에 필요하도록 평판 또는 다층 구조에 적합하게 이루어져야 한다. 단면의

길이 ℓ이 약 100㎛의 미세 유로에서 대부분의 액 체의 흐름은 Reynolds number(Re)가 약 100미 만인 조건에서 이루어진다.

미세 유로에서의 흐름에 있어서 효과적인 혼련 은 화학반응에서 용질의 균일화와 Poiseuille 흐름 의 방향에서 물질의 분산성을 조절함에 있어서 매 우 중요하다. 매우 낮은 Re에서 간단한 구조의 유 로를 흐를 때, 압력에 의한 흐름은 한 방향의 층류 에 해당하기 때문에 층간 상호간의 혼련은 확산에 의존할 수밖에 없다. 크기가 작은 미세 유로이지 만, 유로 방향으로의 물질의 대류대비 확산에 의 한 혼련 속도는 매우 느리다(Peclet number(Pe)

> 100). 이러한 단일 방향의 흐름에서 혼련에 필 요한 유로의 길이∆y^m은Pe×ℓ에 해당한다. 이 러한 혼련 길이는 비실용적으로 길어질 수 있으며 Pe에 비례하여 증가한다.

혼련 길이의 감소를 위하여 유로의 단면을 가로 질러서 유체에 연신과 접힘 작용을 가할 수 있는 횡방향의 흐름이 도입되어야 한다. 이렇게 되면 균일화를 위하여 확산이 작용해야 하는 평균 횡단 거리∆r이 감소되는 효과가 있다. 정상상태의 혼 돈 흐름(chaotic flow)에서, 연신과 접힘 작용을 받는 유체의 부피는 축방향 길이와 지수 함수적으 로 관계된다. 즉, ∆r=ℓ exp(- ∆y/λ)의 관계가 성립하게 되는데, 여기서 ℓ은 초기 횡방향 거리 이며λ는 혼돈 흐름에 존재하는 궤적의 기하학적 인 모양에 의하여 결정되는 특성 길이에 해당한다.

Pe가 큰 경우에, 단면에 걸쳐서 혼돈 흐름이 존재 하면 혼련 길이가 현저하게 감소될 수 있다. :∆y^m

~λln(Pe).

1cm 이상의 비교적 거시적인 시스템에서 혼돈 흐름에 근거한 여러 가지 혼련 기법이 제안된바 있지만 미세 유로에서의 혼련은 아직까지 어려운 문제로 남아있다. Beebe의 연구팀은 나선 모양의 미세 유로에서 혼돈 흐름을 구현하였는데, 여기서

NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 20, No. 2, 2002 … 161

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그림 1. 분자 크기의 컴퓨터를 설계하는 방법. (A)반도

체 나노와이어를 이용한 다이오드와 트랜지스터. (B)

탄소 나노튜브 트랜지스터. (C)Polyphenylene분자로

이루어진 자기 조립형 단분자층. (D)디지털 정보를 저

장하는 Pophyrin분자.