나노기술이 트랜지스터에 미치는 영향

June 9, 2024

트랜지스터는 소개된 지 70년이 넘었고, 지금까지 많은 전자제품의 주요 부품으로 사용되어 왔습니다. 끊임없는 개발과 개선이 없었다면 현재의 컴퓨팅 성능을 갖지 못했을 것입니다.

다만, IC 내의 트랜지스터 수가 약 2년마다 2배씩 증가한다는 무어의 법칙(Moore’s Law)에 기반한 하향식(top-down) 접근법으로는 덩치가 큰 소재의 트랜지스터 크기를 축소하는 데 한계가 있을 것입니다.

이에 대한 대안은 상향식(bottom-up) 접근법을 통해 원자별로 더 작게 나노 크기의 트랜지스터를 만드는 것입니다. 나노 소재는 매우 효율적인 재료이기 때문에, 이러한 나노 크기의 트랜지스터는 매우 작고 효과적인 트랜지스터의 실현을 의미합니다.

나노기술이 트랜지스터에 미치는 영향 (출처: BONDART PHOTOGRAPHY/Shutterstock.com)

-트랜지스터 향상의 필요성

전자 기기의 성능이 지속적으로 향상됨과 동시에 크기도 작아져야 한다는 것은 해당 부품들이 더욱 발전한 제조 기술과 소재 기술로 제작되어야 한다는 것을 뜻합니다. 트랜지스터 크기가 더 작아지면 주어진 면적에 더 많은 수의 트랜지스터를 통합할 수 있고, 이를 통해 해당 장치의 전자 신호를 증폭하여 성능을 더욱 높일 수도 있습니다. 다른 접근 방식과 비교할 때, 트랜지스터를 소형화하여 성능을 높인다는 것은 발상 자체는 간단하지만, 실제로 그것을 구현하기는 훨씬 더 어렵습니다.

-높은 수준의 소형화와 성능 향상을 달성할 수 있는 방법은 그리 많지 않은데, 상용화 관점에서 아직 초기 단계이긴 하지만 유망한 방법 중 하나는 나노 소재를 활용하는 것입니다. 탁월한 전자 특성과 응답성, 다른 시스템과의 상호작용 능력, 열 안정성을 포함한 뛰어난 안정성, 특유의 작은 크기 등은 나노 소재가 차세대 트랜지스터 제작을 위한 탁월한 선택이라는 것을 의미합니다. 뿐만 아니라, 오늘날 상향식 나노팹 공정이 가용하다는 것은 이처럼 많은 소형 트랜지스터들이 제작되어, 칩과 회로 기판에 통합될 수 있다는 것을 뜻합니다.

-상용화 관점에서 보면, 아직은 이 접근 방식이 모든 애플리케이션에 적합한 것은 아닙니다. 그러나 제작 비용과 제작 용이성이 계속해서 향상됨에 따라 나노 크기의 트랜지스터는 점점 더 많은 응용 분야에 적용될 수 있을 것입니다.

-이번 포스팅에서는 나노 크기의 트랜지스터가 이미 영향을 미치기 시작한 몇 가지 사례들을 살펴보겠습니다.

-나노 기술의 영향을 받은 트랜지스터 애플리케이션

이미 몇 종류의 트랜지스터들이 나노 소재를 이용해 만들어졌습니다. FET(field-effect transistor)는 핵심 설계에 나노 소재를 사용하기 시작한 디바이스들과의 호환성과 다기능성 때문에 자주 볼 수 있는 트랜지스터입니다. 하나의 예로 센서를 들 수 있습니다. 나노센서는 트랜지스터 기반일 필요는 없지만, 나노 소재의 전기적 및 표면적 특성은 분자가 결합하거나(분자 감지) 로컬 환경(온도나 습도 등)에 변화가 있을 때, 또는 유도 변형(induced strain)이 있을 경우, 전자적 특성이 달라진다는 것을 의미하기 때문에 많은 센서가 트랜지스터 기반이며, 상당수의 센서들이 FET 역할을 합니다.

-나노 소재 FET 기반 센서와 관심 대상 간의 상호 작용은 전기 신호를 변화시키는데, 이는 판독 가능한 출력에 해당합니다. FET 센서 애플리케이션에 사용되는 나노 소재는 전기 전도성과 전하 운반체 이동성이 높기 때문에 다른 FET 기반 센서보다 감지 반응이 훨씬 좋은 경우가 많습니다. 많은 가능성을 보여주는 대표적인 예로서 그래핀을 꼽을 수 있습니다. 특히 그 다용성과 전기적 특성 때문에 그래핀 기반 FET는 COVID-19 팬데믹 동안 SARS-CoV-2 바이러스 변종 검출과 같은 특정 애플리케이션을 포함한 다양한 응용 분야를 위해 개발되었습니다. 이들 센서의 감도 및 크기와 관련한 개선 사항들은 지금까지 나노 기술이 이러한 애플리케이션에 미친 영향이 컸다는 것을 의미합니다.

-또 다른 주요 사례로서 회로 기판을 들 수 있는데, 나노 소재 기반 트랜지스터의 크기는 여기서 중요한 역할을 합니다. 컴퓨터 내부의 회로 기판과 프로세서 소자들은 전자 신호를 변경하고 증폭하기 위해 트랜지스터에 크게 의존합니다. 프로세서에서는 칩 상의 단위 면적당 트랜지스터 수가 많을수록 속도가 빨라져 전반적인 성능과 연산 능력이 향상됩니다. 나노 크기의 트랜지스터를 만들 수 있다는 것은 단위 면적당 더 많은 트랜지스터를 통합할 수 있다는 것을 의미하며, 특히 탄소나노튜브(CNT)처럼 사용된 나노 소재가 전도성이 높을 때 칩의 성능을 향상시킬 수 있습니다. 그것들은 처음부터 원자 단위로 만들어질 수 있기 때문에, 디바이스 내의 일반적인 칩 아키텍처나 서로 다른 소자들과 호환이 가능하도록 칩에 맞춤형으로 통합될 수 있습니다.

개발자들은 전자 신호의 증폭과 변환에 보다 효과적인 트랜지스터뿐 아니라, 현재보다 더 작은 트랜지스터를 만들기 위해 노력해 왔습니다. 나노일렉트로닉스 차원에서 이러한 두 가지 목표를 모두 달성할 수 있는 소재가 그리 많지는 않은데, 나노 소재는 이를 충족하는 옵션 중 하나입니다. 나노 소재의 안정성과 그 전자적 특성 및 특유의 초소형 크기는 보다 진보되고 더 작은 트랜지스터를 만드는 데 기여했습니다. 여기서 초점은 FET 센서, IC 칩 및 기판의 면적 같은 보다 눈에 띄고 상업적이며 유용한 두세 가지 애플리케이션 분야에 맞춰져 왔습니다. 하지만 이제는 향후 상용화가 가능한 더 많은 애플리케이션들에 나노 기술 반도체를 적용하는 방안들이 검토되고 있습니다.