컴퓨팅
그래핀 반도체 – 드디어 등장했나요?
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오늘날 반도체는 현대 세계에 전력을 공급합니다. 이들은 전자 기기의 핵심이며, 한 발견이 전자 산업을 크게 변화시킬 것으로 기대됩니다.
마이크로칩 또는 집적 회로(IC)라고도 불리는 반도체는 알루미늄과 구리와 같은 도체와 세라믹 및 유리와 같은 절연체 사이의 전기 전도성을 가진 물질입니다.
반도체는 빛과 열에 민감하며 저항이 변합니다. 반도체의 저항률은 온도가 상승함에 따라 감소하는데, 이는 금속의 동작 방식과는 반대입니다.
반도체의 예로는 순수 원소이며 자연에서 쉽게 발견되는 실리콘과 게르마늄이 있습니다. 그 외에 카드뮴 셀레나이드와 갈륨 비소와 같은 화합물도 있습니다. 또한, 물질의 전도성이나 특성을 변화시키기 위해 순수 반도체에 소량의 불순물을 첨가하는 도핑이라는 과정을 사용합니다.
따라서 순도에 따라 반도체는 내재형 반도체와 외재형 반도체로 구분됩니다. 내재형 반도체는 단일 원소로 이루어진 자연 물질로 바로 장치에 사용할 수 있으며, 외재형 반도체는 사용하기 전에 도핑이 필요합니다. 내재형 반도체를 변형하면 N형(공여자)과 P형(수용자) 두 종류의 외재형 반도체가 생성됩니다.
반도체는 교류를 직류로 변환하는 다이오드와 전류 증폭기, 그리고 다양한 전자 기기 제조에 필수적인 전자 회로에 사용됩니다.
반도체는 필라멘트가 필요 없다는 장점을 가집니다. 따라서 전자를 방출하기 위해 가열할 필요가 없으며, 즉시 작동할 수 있습니다. 또한 크기가 작아 컴팩트하고 휴대가 용이하며 전력 소비도 적습니다. 게다가 반도체는 비교적 저렴합니다.
반도체는 우리 생활의 필수 요소이며, 반도체가 없었다면 TV, 라디오, 컴퓨터, 스마트폰, 자동차, 냉장고, 비디오 게임 등이 존재하지 않았을 것입니다. 반도체는 전류 흐름을 제어하기 위해 켜고 끌 수 있는 작은 스위치를 만들 수 있게 하며, 이러한 전류가 전기 회로를 통해 흐름으로써 전자 기기가 작동합니다.
이 때문에 반도체는 컴퓨팅, 통신, 의료, 운송, 청정 에너지, 방위, 가전, 게임 하드웨어 등 다양한 분야의 발전을 가능하게 하는 전자 기기의 필수 부품입니다.
수십 년에 걸친 반도체 기술의 발전은 전자 기기를 단순히 작게 만들 뿐만 아니라 더 빠르고 정교하며 호환성 및 신뢰성을 높였습니다.
반도체 기업은 일반적으로 설계 또는 제조를 중심으로 활동을 조직합니다. 설계에 집중하는 기업은 ‘팹리스’ 기업이라 불리며, 제조만 담당하는 기업은 ‘파운드리’라고 합니다. 설계와 제조를 모두 수행하는 기업은 통합 디바이스 제조업체(IDM)라고 불립니다.
최근 몇 년간 반도체 위기가 발생했습니다. 2020년 말 팬데믹과 봉쇄 이후 전자 기기에 대한 수요가 급증하면서 전 세계적으로 마이크로칩과 전자 회로가 부족해졌습니다.
온라인 수업, 원격 근무, 디지털화가 진행되면서 전자 기기에 대한 수요가 크게 늘었고, AI, VR, 5G, 빅데이터, 클라우드 서비스와 같은 새로운 기술이 등장하면서 상황이 더욱 악화되었습니다.
이에 대응하여 전 세계 기업들이 문제 해결을 위해 막대한 자원을 투자하고 있습니다.
큰 발견: 최초의 기능성 그래핀 반도체
갈륨 비소는 태양 전지, 레이저 다이오드, 마이크로파 주파수 집적 회로에 사용되는 인기 있는 반도체입니다. 그러나 오늘날 가장 많이 사용되는 반도체는 실리콘으로, 대부분의 전자 회로 제조에 핵심적인 역할을 합니다. 하지만 실리콘은 한계에 다다르고 있습니다 — 많은 전력이 필요해 과학자들이 대안을 찾고 있습니다.
또 다른 물질인 그래핀은 반도체로 간주되지 않지만 칩과 회로를 만드는 데 사용할 수 있습니다. 그래핀은 높은 전도성을 가지고 있어 열을 매우 효과적으로 방출하여 전자 부품의 성능을 향상시킵니다. 또한 실리콘에 비해 에너지 소모가 적으면서도 속도와 에너지 효율이 뛰어나 전자 제품 제작에 매우 유리합니다.
그래핀은 탄소 원자가 육각형으로 배열된 단일 원자 두께의 매우 얇은 물질이며, 흑연의 기본이 됩니다. 인간이 알고 있는 가장 얇은 물질이지만, 강도는 약 200배의 강철보다 강하고 유연합니다.
게다가 이 단일 탄소 원자 시트는 열과 전기의 뛰어난 전도체이며 흥미로운 빛 흡수 능력을 가지고 있습니다. 따라서 이 물질은 센서, 태양 전지, 배터리 등 다양한 분야에 혁신을 가져올 잠재력을 가지고 있습니다.
하지만 그래핀은 뛰어난 전기 전도성 때문에 반도체로 사용하기 어려운 문제점이 있습니다. 반도체가 온·오프 스위치를 할 수 있게 하는 밴드갭이 필요하지만, 그래핀은 일반적으로 이를 가지고 있지 않습니다. 그래핀에 밴드갭을 도입하기 위해 과학자들은 그래핀을 특정 형태로 제작하거나 고유한 밴드갭을 가진 다른 2D 물질과 결합했지만, 실용적인 반도체 그래핀을 만들지는 못했습니다.
과학자들이 그래핀을 연구하던 중 최근 연구진이 최초의 기능성 그래핀 반도체를 구현하는 돌파구를 마련했습니다. 이는 컴퓨팅과 전자 분야를 영원히 바꾸는 의미입니다. 수년간 그래핀 연구를 방해해 온 난관, 즉 적절한 비율로 온·오프 스위치를 할 수 있는 밴드갭을 확보함으로써 그래핀 기반 칩 전자를 현실화하는 중요한 단계에 도달했습니다.
밴드갭을 갖춘 그래핀 반도체는 기능적일 뿐만 아니라 기존 제조 공정에 통합될 수 있습니다. 2024년 첫 주에 네이처에 발표된 이 연구는 나노전자공학에 사용할 수 있는 기능성 그래핀 반도체를 보여주었습니다.
이를 위해 조지아 공대 물리학 교수인 월터 드 히어는 연구팀을 이끌고 중국 톈진 대학교와 협업했습니다. 그리고 그는 이렇게 말했습니다:
“우리는 이제 실리콘보다 10배 높은 이동성을 가진 매우 견고한 그래핀 반도체를 확보했으며, 실리콘에서는 볼 수 없는 고유한 특성도 가지고 있습니다. 하지만 지난 10년간 우리의 연구 이야기는 ‘이 물질을 충분히 작동할 정도로 만들 수 있을까?’였습니다.”
초기 경력에서 드 히어는 탄소 기반 물질을 잠재적 반도체로 탐구하다가 20년 전 2D 그래핀으로 전환했습니다. 팀은 “그래핀의 세 가지 특별한 특성을 전자 분야에 도입하고자 하는 기대”에 동기부여를 받았습니다 — 매우 견고한 물질, 매우 큰 전류를 처리할 수 있는 능력, 그리고 가열되거나 파손되지 않는 특성.
팀은 특수 퍼니스와 특수한 가열·냉각 공정을 이용해 실리콘 카바이드 웨이퍼 위에 그래핀을 성장시키는 방법을 찾아냈을 때 이 돌파구를 달성했습니다. 실리콘 카바이드는 전자 기기에 사용되며 효율적인 에너지 변환을 가능하게 합니다.
이로 인해 에피택셜 그래핀이 생성되었습니다. 이는 실리콘 카바이드(실리콘과 탄소를 함유한 단단한 결정 화합물)의 결정면 위에 성장하는 층으로, 적절히 제작되면 실리콘 카바이드와 화학적으로 결합하여 반도체 특성을 나타냅니다.
기능성 트랜지스터를 만들기 위해 팀은 반도체 물질을 조작할 때 그 특성이 손상되지 않도록 해야 했습니다. 이를 위해 먼저 물질이 좋은 전도체인지 확인하고 도핑 기술을 적용했으며, 물질이나 특성이 손상되지 않고 성공했습니다.
드 히어에 따르면 실리콘 카바이드 웨이퍼로의 전환은 “꽤 실현 가능”합니다. 연구 결과 그들의 그래핀 반도체는 실리콘보다 훨씬 높은 이동성을 가지고 있어 전자가 매우 낮은 저항으로 이동합니다. 전자 분야에서는 이것이 더 빠른 컴퓨팅으로 이어집니다.
“자갈길을 달리는 것과 고속도로를 달리는 것의 차이와 같습니다,” 라고 드 히어는 말했습니다. “효율이 더 높고, 열이 덜 발생하며, 전자들이 더 빠르게 이동할 수 있도록 높은 속도를 허용합니다.”
미래 전자를 위한 혁신적인 돌파구
10년간의 연구 끝에 최신 연구는 특수 실리콘 카바이드 칩 위에 그래핀을 성장시키는 방법을 밝혀냈습니다. 팀은 그래핀의 화학적 특성을 조정해 원하는 구조를 만들었으며, 이를 통해 그래핀이 고품질 반도체처럼 작동하도록 했습니다.
그래핀 전자를 실현하는 것에 대해 이야기하면서 드 히어는 이렇게 언급했습니다:
“우리는 재료를 어떻게 다루고, 어떻게 점점 개선할지, 그리고 최종적으로 특성을 어떻게 측정할지 배워야 했습니다. 이는 매우, 매우 오랜 시간이 걸렸습니다.”
현재 이 반도체는 2차원(2D) 형태이며 나노전자공학에 사용할 수 있는 모든 필수 특성을 가지고 있습니다. 전기적 특성 또한 현재 연구 중인 다른 2차원 반도체보다 훨씬 우수합니다. 전문가들은 이 발견이 실리콘보다 적은 에너지로 새로운 강력한 그래핀 반도체를 만들 수 있게 함으로써 전자 산업의 판도를 완전히 바꿀 수 있다고 보고 있습니다.
“이 연구는 그래핀의 놀라운 안정성을 유지할 뿐만 아니라 새로운 전자 특성을 도입해 그래핀 기반 칩의 길을 열었습니다,” 라고 베이징 기반 과학기술일보가 밝혔습니다.
그래핀 기반 전자는 전원을 켜고 끄는 데 필요한 전력이 적고, 전자가 열을 발생시키지 않아 추가 냉각 에너지가 필요하지 않아 더욱 효율적입니다. 이는 “휴대폰이 배터리 소진 없이 몇 주간 사용할 수 있고, 생활 전반의 에너지 소비를 줄여 비용과 화석 연료 오염을 감소시킬 수 있다”는 의미이며, 영국 맨체스터 대학 국립 그래핀 연구소의 소재학 교수 사라 헤이그가 인터뷰에서 말했습니다.
이는 향후 더 고성능 개인용 컴퓨터와 양자 컴퓨터에 전력을 공급하는 칩의 길을 열 수 있습니다.
연구자들은 이 실리콘 대체 물질의 전자가 빛처럼 양자역학적 파동과 유사한 특성을 가지고 있다고 언급했습니다. 이러한 특성은 매우 낮은 온도에서도 활용될 수 있습니다. 연구자들은 이제 이를 향후 연구에서 탐구하려고 합니다.
에피택셜 그래핀은 전자가 더 낮은 저항으로 이동하게 하여, 이러한 방식으로 만든 트랜지스터가 테라헤르츠 주파수에서 작동할 수 있게 합니다. 이는 트랜지스터의 온·오프 스위치 속도, 최소 크기, 발생 열 등 실리콘의 한계를 극복하는 데 도움이 됩니다.
이렇게 새로운 물질은 전자의 양자역학적 파동 특성을 활용할 수 있게 함으로써 전자 분야에 패러다임 전환을 일으킬 수 있으며, 이는 양자 컴퓨팅에 필수적입니다. 차세대 컴퓨팅을 향한 중요한 단계로, 더 작고 빠른 전자 기기를 구축하는 새로운 방식을 열어줄 수 있습니다.
드 히어가 지적했듯이, 그래핀이 “사물을 더 작고 빠르게 만들며 열 발산을 줄이는” 능력뿐만 아니라 “실리콘에서는 접근할 수 없는 전자의 특성을 활용”한다는 점이 “패러다임 전환—전자 분야의 새로운 방식”을 제시합니다.
이는 새로운 세대의 전자가 곧 다가오고 있음을 의미합니다. 오랫동안 실리콘이 전자를 주도해 왔으며, 이는 전선과 전보 이후 진공관을 앞선 단계였고, 이제 그래핀이 다음 단계의 선두가 될 것입니다.
“저에게 이것은 라이트 형제의 순간과 같습니다,” 라고 드 히어는 말했습니다. “그들은 300피트 높이로 비행할 수 있는 비행기를 만들었습니다. 그러나 회의론자들은 이미 빠른 기차와 선박이 있는데 왜 비행이 필요하냐고 물었습니다. 하지만 그들은 계속했고, 이는 사람들을 대양을 가로지를 수 있는 기술의 시작이었습니다.”
게다가 이 기술은 확장 가능합니다. 이전에 그래핀은 반도체로서 가능성을 보였지만 소규모에 한정되었습니다. 그래핀 반도체를 실용적인 컴퓨터 칩 크기로 확대하는 것은 어려웠습니다. 그러나 최신 돌파구는 실리콘 칩 제작에 사용되는 기술과 유사한 공정을 사용했으며 기존 마이크로 전자 처리 방법과 호환되어 규모 확대가 보다 현실적이 되었습니다.
연구는 웨이퍼를 사용했으며, 영국 서리 대학교의 데이비드 케리는 이를 “정말, 진정으로 확장 가능”하다고 평가했습니다. 현재 반도체 산업에서 사용되는 기술을 통해 “이 과정을 확대할 수 있다”고 말했습니다.
그럼에도 불구하고 최신 그래핀 반도체가 현재의 초전도 기술보다 실제로 더 우수한 성능을 보일지는 아직 확인이 필요합니다. 또한 세계가 그래핀 칩으로 전환하려면 품질, 크기, 제조 기술에 관한 새로운 연구가 정교화되어야 합니다. 이는 긴 여정이 될 것이며, 그래핀 반도체의 산업적 구현을 완전히 실현하는 데는 10년 이상이 걸릴 수 있음을 의미합니다.
