현재보다 100배 빠른 컴퓨터 구현 가능
[서울파이낸스 나민수기자]삼성전자가 '꿈의 신소재'로 불리는 그래핀을 활용한 새로운 트랜지스터 구조를 개발했다.
삼성전자는 기존 실리콘의 한계를 극복하고 미래 트랜지스터 개발 가능성을 한단계 높인 종합기술원의 논문이 세계적 권위의 학술지인 사이언스지 온라인판에 게재됐다고 18일 밝혔다.
그래핀은 흑연에서 벗겨낸 한 겹의 탄소 원자막으로, 원자들이 6각형 벌집 구조로 결합된 나노 소재다. 두께가 탄소 원자 하나, 즉 0.35나노미터에 불과하지만 강도가 강철보다 200배 강하며 전자 이동도가 실리콘의 140배, 열전도율과 허용 전류 밀도는 각각 구리의 100배와 1000배에 달한다.
때문에 그래핀을 활용한 트랜지스터가 완성된다면 현재보다 100배 이상 좋은 컴퓨팅 파워를 구현할 수 있을 것으로 기대되고 있다.
반도체에는 실리콘(Si) 소재의 트랜지스터가 수십억 개씩 들어 있으며 반도체 성능을 높이려면 트랜지스터의 크기를 줄여 전자의 이동 거리를 좁히거나 전자의 이동도가 더 높은 소재를 사용해 전자가 빠르게 움직이게 해야 한다.
하지만 반도체 소자가 점차 소형화되고 있는 상황에서 실리콘은 크기를 축소하기엔 한계가 있다. 이론상 실리콘 기반의 반도체 크기 한계는 10나노대. 현재 삼성전자가 20나노대 반도체를 양산하고 있는 것을 감안하면 조만간 10나노대 공정에 다다를 것으로 예상된다.
이 때문에 높은 저자 이동도를 갖고 있으며 10나노대 이하에서도 양산이 가능한 그래핀이 실리콘을 대체할 꿈의 신소재로 각광 받아 왔으나 그래핀이 금속성을 지니고 있어 전류를 차단할 수 없다는 점이 문제였다.
트랜지스터에서는 전류의 흐름과 차단으로 디지털 신호인 '0과 1'을 나타내므로 그래핀을 실리콘 대신 사용하기 위해서는 반도체화 하는 과정을 거쳐야만 한다. 그러나 이 과정에서 그래핀의 이동도가 급감하므로 그래핀 트랜지스터에 대한 회의적인 시각이 많았다.
이번에 삼성전자 종합기술원은 새로운 동작원리를 적용하여 그래핀 자체를 변화시키지 않으면서 전류를 차단할 수 있는 소자를 개발했다. 즉, 그래핀과 실리콘을 접합하여 쇼키 장벽(Schottky Barrier)을 만들고 이 장벽의 높이를 조절하는 방법으로 전류를 켜고 끌 수 있게 한 것이다.
장벽(Barrier)를 직접 조절한다는 의미에서 삼성전자는 새로운 소자를 '배리스터(Barristor)'로 명명했다. 또 디지털 신호인 '0' 또는 '1' 을 상호 변환하는 가장 기본적인 회로인 인버터 등을 제작하여 기본 연산(덧셈)을 구현했다.
이번 논문을 통해 삼성전자는 그래핀 소자 연구의 최대 난제를 해결함으로써 추후 연구에 새로운 방향을 제시했고 관련 분야를 선도할 수 있는 기반을 구축한 것으로 평가되고 있다.
현재 삼성전자는 기술원은 그래핀 트랜지스터의 동작방식과 구조와 관련한 핵심 특허 9건을 확보하고 있다.
한편 시장조사기관들에 따르면 글로벌 그래핀 시장규모는 오는 2015년경 투명전극과 복합소재 등을 중심으로 300억 달러를 형성하고 2020년 900억 달러, 2030년 약 6000억 달러 등 매년 괄목할 만한 성장세를 나타낼 것으로 전망된다.
