컴퓨팅
유기 반도체가 그래핀과 실리콘의 장점을 결합할 수 있을까?
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그래핀 반도체의 놓친 잠재력
Graphene has long been considered a miracle material, with exceptional characteristics that may play a role in next-gen semiconductors. Its perception as a miracle material is multipronged due to its physical characteristics, as it is 200x stronger than steel, and its electron mobility is 140x faster in graphene than in silicon.
처음에 그래핀을 연구하던 과학자들은 그래핀이 반도체에서 실리콘을 대체할 수 있다고 생각했습니다. 그러나 안타깝게도 그래핀은 “밴드갭”이라고 불리는 핵심 전자 특성이 없습니다.
밴드갭은 물질이 금속(전기 전도), 절연체(전기 차단), 혹은 반도체(전도와 절연을 전환할 수 있음) 중 어느 것으로 분류될지를 결정합니다.
출처: Energy Education
문제는 그래핀이 전혀 밴드갭이 없어서 반도체로 사용할 수 없다는 점입니다.
하지만 다른 물질은 그래핀과 동일한 전자 이동도를 가지면서 반도체에 적합한 밴드갭을 가질 수 있습니다. 이러한 물질을 유기 폴리머라고 합니다.
유기 반도체 구축
What makes graphene so conductive are two factors:
- 본질적으로 2차원 물질이며, 탄소 원자 하나로 이루어진 완벽하게 평평한 단층을 형성합니다.
- 탄소의 육각형 사이에 있는 전자는 방향족 탄화수소라고 불리는 원자 구조 사이를 거의 자유롭게 흐를 수 있습니다.
출처: Britannica
방향족 탄화수소는 실제로 자연에서 매우 흔하지만, 그래핀의 2차원 층은 훨씬 드뭅니다. 그러나 많은 유기 물질은 그래핀에 없는 밴드갭을 나타낼 가능성을 가지고 있습니다.
한국 포항공과대학교(POSTECH)의 김문 김 교수, 심지훈 교수, 김준성 교수, 그리고 이영상 박사는 일반 유기 물질을 그래핀과 유사한 형태로 전환하는 방법을 찾았습니다.
출처: POSTECH
유기 폴리머를 2D로 만들기
유기 폴리머가 그래핀처럼 작동하지 못하게 하는 이유는 중합 과정에서 층간 적층이 폴리머의 성장을 방해하기 때문입니다.
연구진은 단량체 결합을 차단하는 화학기(입체 장애)를 추가함으로써 2차원 폴리머 중간체의 적층을 억제할 수 있음을 발견했습니다. 사용된 유기 폴리머는 트리아자코로네인입니다.
출처: POSTECH
그들은 이어서 폴리머 합성에 p형 도핑이라는 단계를 추가했는데, 이는 반도체 생산에 일반적으로 사용됩니다. 이는 반도체 물질에 원소를 첨가해 전도성을 더욱 높이는 것을 의미합니다.
출처: Wikipedia by
연구진은 결과물의 전기 전도성이 “탁월하다”고 설명했습니다.
유기 반도체의 거대한 잠재력
이 성과는 유기 반도체의 전자 이동도가 너무 낮다는 문제를 해결합니다.
또한 분자 수준에서 전자와 정공의 전도 경로를 제어하기가 쉬워져, 이 물질로 트랜지스터와 컴퓨팅 칩을 제작하는 데 필요한 단계가 됩니다.
또한 그래핀에 밴드갭을 “부여”할 수도 있으며, 이는 우리 기사 “그래핀 반도체 – 드디어 등장했나요?”에서 자세히 다루었습니다.
그래핀 반도체와 그래핀과 유사한 사양을 가진 유기 반도체 모두 다양한 잠재적 응용 분야를 가질 수 있습니다.
물론 이는 우리가 반도체 기반 컴퓨팅을 지속할 경우에만 해당되며, 포토닉스에 관한 “반도체 발전 – ‘도넛’ 빔을 ‘레고’ 블록으로 바꿔 산업 접근 방식을 뒤흔들 수 있을까?” 또는 양자 컴퓨팅에 관한 “양자 컴퓨팅의 현재 상태”와는 별개입니다.
반도체
실리콘은 물리적 특성으로 한계에 다다르고 있지만, 그래핀과 같은 전도성은 유기 반도체를 모어의 법칙을 유지할 수 있는 실현 가능한 대체 재료로 만들 수 있습니다. 왜냐하면 더 빠른 전자는 더 빠른 컴퓨팅으로 이어지기 때문입니다.
이는 개선된 그래핀 및 절연체-금속 전이(IMT) 물질인 바나듐 산화물과 함께 유기 물질을 실리콘 대체 후보에 추가합니다(이러한 반도체 기술 발전에 대해 더 읽고 싶다면 “활성 기판 및 뉴로모픽 컴퓨팅으로 모어의 법칙을 따라잡기”을 참고하십시오).
배터리
금속을 대체하기 위해 유기 물질 사용을 모색하고 있는 또 다른 산업은 배터리 산업이며, 이는 전기차와 재생 에너지 붐으로 힘을 얻고 있습니다.
유기 물질이 그래핀과 유사한 특성을 보인다면, 그래핀 배터리의 옵션이 될 수 있습니다. 이는 전기차 배터리 화학 중 하나이며, 우리는 “모빌리티의 미래 – 배터리 기술”에서 논의했습니다.
반도체 기업
1. IBM
IBM 가격 차트
컴퓨팅, 반도체 및 칩 설계 분야의 역사적 선구자인 국제 비즈니스 머신(IBM)은 컴퓨팅 및 반도체 산업의 최첨단 혁신에 대부분 참여해 왔습니다.
이에는 이 기사에서 논의된 전도성 유기 물질뿐만 아니라 뉴로모픽 컴퓨팅, 양자 컴퓨팅, 포토닉스 등이 포함됩니다.
인텔과 함께 IBM은 비실리콘 컴퓨팅 및 과거 성공을 재현하려는 새로운 형태의 컴퓨팅 기술을 가장 적극적으로 추진하는 기업 중 하나입니다.
이는 IBM이 막대한 R&D 예산과 연구 파트너 네트워크를 활용해 그래핀과 유사한 유기 반도체와 같은 발견을 활용할 좋은 위치에 있게 합니다.
2. ON Semiconductor Corporation
ON 가격 차트
ON Semi는 전기화에 특화된 반도체 기업으로, 자동차를 포함해 태양광 에너지, 배터리, 항공우주, 통신, 데이터 센터 및 의료 등 다양한 분야에 참여하고 있습니다. 따라서 전 세계 주요 산업 기업들의 핵심 파트너입니다.
출처: ON Semi
ON Semi의 기술적 강점 중 큰 부분은 실리콘 카바이드에 기반합니다. 이는 고에너지 전기 시스템에 사용되는 실리콘-탄소 화합물로, 전기차의 급속 충전에 필요한 매우 높은 전력 부하를 가능하게 합니다.
실리콘 카바이드는 최근 연구자들이 반도체 그래핀을 개발하는 데 사용한 물질이며, 이는 우리 기사 “그래핀 반도체 – 드디어 등장했나요?”에서 논의되었습니다.
ON Semi가 실리콘 카바이드에 집중한 전략은 전기차 혁신에 힘입어 최근 몇 년간 매출 급증을 가져왔습니다.
실리콘 카바이드 및 일반적인 탄소 기반 반도체에 대한 ON Semi의 전문성은 그래핀이나 유기 물질 기반 반도체를 산업화하는 데 귀중할 수 있습니다.
한편, 점점 더 강력하고 효율적인 배터리와 전기 시스템에 대한 수요가 증가함에 따라 실리콘 카바이드는 전 세계 공급망에서 점점 더 중요한 역할을 하고 있습니다. 이 분야의 선두주자로서 ON Semi는 특히 전기차와 같은 전기화 추세에서 큰 혜택을 받을 가능성이 높습니다.
마지막으로, 유기 반도체가 배터리 기술에 적용될 경우, ON Semi의 강력한 시장 입지는 이 기술을 최초로 도입할 수 있는 기업 중 하나가 되는 데 도움이 될 수 있습니다.
(IBM ) 
