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나노기계 공명기 – 양자 컴퓨팅이 이 압전 장치들로부터 얻을 수 있는 혜택

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센서 소형화

기술이 정밀해질수록 더 작은 장치가 필요해지는 분야가 많다. 반도체에서는 2나노미터급 공정 개발을 진행하는 TSMC 같은 기업이 대표적이다. 여기서 공정 명칭의 숫자가 모든 구조물의 실제 크기를 뜻하는 것은 아니다.

출처: TSMC

기계적 진동을 이용하는 부품에서도 소형화가 중요하다. 나노기계 공진기는 작은 크기와 높은 민감도를 활용해 미세한 힘이나 입자의 영향을 측정하는 데 쓰일 수 있다.

고성능 기계 공진기에는 특정 소재가 널리 사용되어 왔다. 스웨덴 찰머스공과대학교와 독일 마그데부르크대학교 연구진은 새로운 소재 플랫폼의 가능성을 제시했다.

연구진은 높은 기계적 품질과 압전성이라는 두 특성을 결합한 공진기를 제작했다. 결과는 Advanced Materials에 “양자 광전기기계 응용을 위한 고품질 계수의 나노기계 결정질 AlN 공진기1”라는 제목으로 발표되었다.

나노기계 공진기

공진기는 소리굽쇠처럼 특정 고유 진동수에서 강하게 진동할 수 있는 장치다. 소리굽쇠는 사람이 들을 수 있는 범위의 음파를 만든다.

공진기는 마이크로미터와 나노미터 규모로 작아졌다. 구조와 진동 모드에 따라 높은 주파수에서 작동하고 작은 변화에 민감하게 반응할 수 있어 미세 측정용 센서로 유용하다.

이러한 기계 센서는 단일 양성자의 스핀을 검출하거나 작은 질량 사이의 중력을 측정하려는 연구 등에도 활용될 수 있다. 모든 나노공진기가 이런 측정을 이미 수행했다는 뜻은 아니다.

공진기의 활용 확대

대표적인 고성능 나노기계 공진기 소재는 인장 변형이 가해진 질화규소다. 기계적 특성은 뛰어나지만 일반적으로 자성이나 압전성이 없고 전기 절연체다.

따라서 전기 신호와 직접 결합하려면 추가 구조나 다른 소재가 필요할 수 있다. 광학적 검출 같은 다른 접근도 있어, 추가 소재가 유일한 상호작용 방식인 것은 아니다.

다른 소재를 덧붙이면 기계적 손실이 증가해 공진기 성능이 낮아질 수 있다.

연구진은 대신 인장 변형이 가해진 질화알루미늄 공진기를 제작했다. 이 소재는 압전성을 가지면서 높은 기계적 품질 계수(Qm)를 보였다. 품질 계수는 진동에서 에너지가 얼마나 적게 손실되는지를 나타낸다.

“질화알루미늄 공진기는 1,000만이 넘는 품질 계수를 달성했습니다. 이는 인장 변형 질화알루미늄이 양자 센서나 양자 변환기를 위한 새로운 소재 플랫폼이 될 수 있음을 시사합니다.”

비틀레프 비에초레크 — 찰머스공과대학교 미세기술·나노과학과 물리학 교수.

압전 소재는 기계적 변형을 전기 신호로, 전기 신호를 기계적 변형으로 변환할 수 있다.

압전 효과는 특정 결정 구조에서 기계적 응력이 전기 분극을 변화시키면서 발생한다. 이를 단순히 모든 양전하와 음전하가 대칭적으로 배열되었다가 대칭이 사라지는 현상으로 설명하면 부정확하다.

질화알루미늄의 압전성은 기계적 운동과 전기적 자유도를 직접 결합할 가능성을 제공한다. 센서의 전기적 판독과 제어 및 다른 나노장치와의 연결에 활용할 수 있다.

제조 방법

연구진은 실리콘 기판 위에 두께 295나노미터의 질화알루미늄 박막을 성장시키고 약 1기가파스칼의 높은 인장 응력을 활용했다. 논문과 연구 소개에서는 이를 손톱 위에 코끼리 두 마리의 무게가 실리는 것에 비유한다.

새 구조는 “triangline”으로 불린다. 중앙 삼각형 패드와 분지형 지지 구조를 사용하며, 결정의 결합 방향을 고려해 설계되었다.

이 구조가 보인 높은 품질 계수와 진동수의 곱은 상온에서 양자 결맞음 진동을 연구할 가능성과 관련된다. 하지만 이 실험이 상온 양자컴퓨터나 완성된 양자 상태 제어를 입증했다는 뜻은 아니다.

다음 단계

이번 공진기는 초기 연구 결과이며 추가 개선 여지가 있다. 품질 계수를 높이고 손실을 줄이는 한편, 압전 결합을 실제 센서나 양자 정보 변환 구조에 통합하는 연구가 필요하다.

응용 분야

가능한 응용 중 하나는 양자 정보 기술이다. 양자컴퓨터는 양자 비트인 큐비트의 상태를 제어하고 측정한다. 핵심 성질로는 중첩과 얽힘이 있다.

  • 중첩은 큐비트를 0과 1의 확률 진폭을 가진 상태로 표현하게 한다. 그러나 이것만으로 모든 가능한 답을 한 번에 읽거나 처리할 수 있는 데이터가 자동으로 지수적으로 늘어나는 것은 아니다.
  • 얽힘은 여러 큐비트의 상태가 각각 독립적으로 설명될 수 없는 상관관계를 형성하는 현상이다. 이를 이용해 먼 곳으로 정보를 순간적으로 전달할 수는 없다.

양자 알고리즘은 중첩과 얽힘, 간섭을 활용해 특정 문제에서 고전적 방법보다 유리할 수 있다. 모든 복잡한 문제를 더 빠르게 푸는 것은 아니다.

큐비트와 양자 상태는 환경 잡음에 민감하며 정밀한 제어와 측정이 필요하다. 상온에서 성능이 높은 압전 공진기는 관련 인터페이스 연구에 유용할 수 있지만 실제 이점은 시스템 통합으로 검증해야 한다.

질화알루미늄 공진기는 양자 처리 장치와 센서 개발에 기여할 가능성이 있다. 양자 처리 장치가 일반 CPU를 전면 대체할 것으로 단정할 수는 없다. 관련 내용은 “양자 처리 장치(QPU): 컴퓨팅의 미래”와 “양자컴퓨팅의 현재”에서 다룬다.

낮은 잡음과 긴 결맞음 시간이 필요한 정밀 센서, 공동 광기계 장치, 거울 지지 구조 등도 연구 대상이다. 광자 장치나 나노기술과의 결합은 응용별로 별도의 개발이 필요하다.

압전 소재는 다양한 미래 기술의 기반이 될 수 있다. 다음 기사에서 관련 내용을 더 살펴볼 수 있다:

나노기술에 투자하기

나노기술은 반도체 외에도 항공우주, 생명공학, 에너지, 화학 산업의 소재와 장치 개발로 확대되고 있다. 다만 연구 성과가 모두 상용화되는 것은 아니다.

나노기술 관련 기업은 여러 증권사를 통해 투자할 수 있다. securities.io에서 미국, 캐나다, 호주, 영국, 및 여러 다른 국가의 증권사 정보를 확인할 수 있다.

개별 기업 대신 ProShares Nanotechnology ETF (TINY) 또는 Direxion Nanotechnology ETF (TYNE) 는 2023년 2월 24일 청산되어 2024년 투자 가능한 ETF로 추천할 수 없다. 상품의 거래 가능 여부, 실제 보유 종목과 비용을 확인해야 하며 나노기술 ETF가 곧 양자컴퓨팅에 집중 투자하는 상품이라는 뜻은 아니다.

또는 “나노기술 관련 주식 10선”과  양자컴퓨팅 기업 5선을 참고할 수 있다.

공진기 관련 기업

SITM 가격 차트

컴퓨터와 전자장치가 복잡해질수록 정확한 시간 기준과 동기화가 중요해진다. 안전 관련 시스템에서는 특히 높은 신뢰성이 요구된다.

SiTime(SITM )은 실리콘 MEMS 기술을 활용한 정밀 타이밍 솔루션 기업이다. 수정 발진기와 마찬가지로 전자 시스템에 시간·주파수 기준을 제공하며, 제품에 따라 다음과 같은 특성을 내세운다:

  • 충격, 진동, 온도 변화와 잡음에 대한 높은 내성.
  • 작은 크기와 낮은 전력 소비.
  • 설정 가능한 주파수와 높은 성능.

출처: SiTime

SiTime은 정밀 타이밍 시장의 주요 업체다. 본문이 제시한 연간 30~35% 성장과 90% 점유율은 회사가 정의한 특정 시장과 기간의 수치로 해석해야 하며 전체 타이밍 산업의 보편적 수치가 아니다.

팹리스 반도체 기업으로서 SiTime은 설계와 지식재산 개발에 집중하고 제조는 외부 업체를 활용한다. 엔비디아(NVDA )의 GPU 및 AI 칩 사업도 팹리스 모델의 한 예다.

새로운 통신·컴퓨팅 기술은 정밀한 시간 기준과 동기화에 대한 수요를 높일 수 있다:

  • 5G의 높은 전송 속도와 짧은 지연 시간은 정밀 동기화를 요구한다. 실제 속도가 언제나 4G의 정확히 10배인 것은 아니다.
  • 데이터센터의 고속 연결과 AI 처리 확대도 타이밍 요구를 높인다. 모든 데이터센터가 몇 년 전보다 일률적으로 10배 빠르다는 뜻은 아니다.
  • 차량에 전자장치와 운전자 보조 기능이 늘면서 신뢰성 높은 타이밍 부품의 중요성도 커지고 있다.
    • SiTime은 자율주행 등 안전 관련 응용을 위해 공진기, 발진기, 클록 및 안전 기능을 결합하는 FailSafe 기술을 소개했다. 기사 작성 당시에는 2025년 양산 출하를 전망했으며, 이는 당시 계획을 설명한다.
  • 우주 발사와 위성 기반 저지연 통신의 확대도 관련 타이밍 부품의 활용 분야다.

SiTime은 2019년 상장 이전부터 발진기를 판매해 온 기업이며, 단순히 그해 등장한 신생기업으로 볼 수 없다. 이후 공진기와 클록 등으로 제품을 확대했다. 매출과 이익률은 기간별로 변동하므로 계속 동시에 증가한다고 단정해서는 안 된다.

출처: SiTime

회사가 제시한 서비스 가능 시장(SAM)은 2021년 약 10억 달러에서 2024년 약 40억 달러로 확대되었다. 이는 약 100억 달러로 추산한 전체 타이밍 시장 중 회사가 공략할 수 있다고 보는 범위를 뜻하며 실제 매출이 아니다.

출처: SiTime

SiTime은 설립 이후 누적 연구개발 투자가 5억 달러를 넘는다고 밝혔다. MEMS 산업은 연구개발 비용, 전문성, 특허와 고객 인증 등 진입 장벽이 높을 수 있다. 그렇다고 각 분야가 반드시 하나의 기업에 독점된다는 뜻은 아니다.

SiTime은 MEMS 타이밍 분야의 주요 업체다. 다른 MEMS 분야에는 무선주파수 부품의 Broadcom(AVGO )이나 관성 센서의 Bosch 같은 기업이 있다. SiTime은 Bosch 관련 기술과 설립 배경을 가지고 있으며, 일본 MegaChips에 인수된 뒤 2019년 나스닥에 상장했다.

AI 데이터센터, 5G, 위성 통신과 자율주행은 SiTime의 잠재적 수요처다. 성장 기회가 있지만 경쟁, 고객 수요와 기술 변화에 따라 성과가 달라질 수 있다.

연구 참고:

1. Ciers, A., Jung, A., Ciers, J., Nindito, L. R., Pfeifer, H., Dadgar, A., Strittmatter, A., & Wieczorek, W. (2024). Nanomechanical crystalline AlN resonators with high quality factors for quantum optoelectromechanics. Advanced Materials, 36(44), 202403155. https://doi.org/10.1002/adma.202403155

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Jonathan은 유전 분석 및 임상 시험을 수행한 전직 생화학 연구원입니다. 그는 현재 주식 분석가이자 금융 작가이며, 혁신, 시장 주기 및 지정학에 초점을 맞춘 출판물 'The Eurasian Century'을 운영하고 있습니다.