▲단전자나노소자
(Single-Electron Nanoelectronics) 기술
단전자 소자 기술은 반도체 정보통신산업에서 소자 칩의 소형화에 따른 트랜지스터 기능의 저하와 한계를 극복하기 위한 대안이다. 긍극적으로 전자 한 개의 터널링 및 양자역학적 성질을 이용한 단전자트랜지스터(SET : Single-electron transistor)와 이를 이용한 집적회로 구현을 위한 기술이다. 단전자 소자는 하나의 채널에 수백 개의 전자를 통과시켜 1비트의 정보를 저장하는 기존 반도체와 달리 양자점이라는 곳에 단 1개의 전자만을 통과시켜 1비트의 정보를 처리한다. 따라서 트랜지스터 개당 전력소비량이 밀리와트 수준에서 마이크로와트 수준으로 크게 줄고, 정보처리 속도는 빨라져 집적도를 테라비트급까지 높일 수 있는 신개념의 반도체이다. 전자 한 개를 이용하는 SET 기술은 소비전력을 파격적으로 줄여준다. 기존 휴대전화 배터리 수명 연장은 물론 우리 생활패턴을 변화시킬 수 있는 노트북 등 소형 모바일 스마트 시스템에 적용 가능한 나노소자 기술이다.
▲전자 한 개로 신호를 처리해야 하는 이유는
최근 쏟아지는 휴대전화들을 보면 통화 기능뿐 아니라 PDA, 방송수신 DMB, 인터넷, 동영상 촬영 편집 등 다양한 기능을 갖고 있다. 이처럼 휴대용 모바일 기기에 다양한 기능을 탑재하기 위해서는 회로의 소형화가 필수적이다. 그러나 반도체가 고집적화하면서 소비전력과 발열문제가 최대 난제로 떠오르고 있다. 현재 반도체 기술은 1비트의 정보를 저장하는 데 전자 수만 개가 필요하지만, SET은 전자 1개만으로 데이터를 처리할 수 있다. 따라서 전력소비량을 획기적으로 줄일 수 있다. 단전자기술의 또 다른 특성은 회로의 연산기능을 대폭 향상시킬 수 있다는 점. 기존 반도체 회로는 이진법 기술이지만, 단전자 기술은 셀 내 전자 한 개씩의 제어가 가능하므로 한 개의 회로만으로 0, 1, 2, 3… 등 여러 개의 수를 이용한 다중 연산 처리가 가능하다. 따라서 단전자기술은 시스템을 구성하는 두 가지 주요 부품인 CPU 및 메모리칩의 전력 소비를 근원적으로 줄일 수 있는 핵심기술이다.
▲이 연구에서 얻은 것은 무엇인가
전자 한 개로 논리 신호를 처리하여 소비전력을 획기적으로 줄일 수 있는 테라비트급 고집적 실리콘 반도체 논리회로의 핵심기술인 낸드(NAND) 및 노어(NOR) 논리회로를 실리콘 웨이퍼상에 집적시키는 데 성공하였다. 그 결과 집적화 공정에 필요한 회로의 수가 줄어 집적도를 크게 향상시킬 수 있게 되었다. 이번 연구성과로 인해 SET 기술을 주도해온 일본 NTT를 추월할 수 있는 기반을 마련했다.특히 이번에 개발된 테라급 단전자 논리회로기술은 한국이 취약한 비메모리 기술이다. 메모리와 결합한 차세대 반도체 신기술을 적용해 초저전력 CPU 및 모바일 통신기기 등 새로운 나노소자 시장 창출이 기대된다. 또한 2015년께 6000억 달러 규모로 예상되는 세계 반도체 시장을 주도할 수 있는 역량을 갖추는 데도 기여를 할 것으로 기대된다.
▲연구결과를 통한 미래의 비전은
이번 테라급 로직회로 개발로 미래의 산업적 파급효과는 △모바일 혁명 △나노 바이오칩의 SET 대체로 인한 초정밀 센서 분야 활성화 △휴먼 브레인 칩의 구현 △양자컴퓨터 시대 개막 등을 예상할 수 있다. 특히 21세기를 주도할 다기능 스마트 휴대전화의 CPU 전력 소모가 획기적으로 줄어 배터리를 한 번 충전하면 수개월간 교체하지 않아도 된다. 바이오칩인 경우 전자 한 개의 이동까지 감지가 가능해 미세한 변화를 일으키는 초기에도 세포의 변화를 감지할 수 있다. 휴먼 로봇의 브레인 칩 제작이 가능하게 되는 것이다. 또한 SET 기술을 적용해 양자컴퓨터 시대가 도래하면 1000년 걸리던 계산이 단 3분 만에 해결된다. 충북대학교 물리학과 교수
주최 : 국제신문 과학기술부 한국과학재단 부산과학기술협의회
시간 : 매주 금요일 오후 7시, 장소 : 부산역 대회의실
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◇ 7월 강연주제 |
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강연일 |
주 제 |
강 연 자 |
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13일 |
전자 1개로 정보를 처리하는 단전자 나노 |
최중범(충북대학교) |
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20일 |
나노기술로 만드는 초고속 반도체 |
서광석(서울대학교) |
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27일 |
전자현미경을 통해 본 원자의 세계와 나노구조물 형성 |
김기범(서울대학교) | |
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