나노일렉트로닉스

나노일렉트로닉스(Nanoelectronics) 또는 나노전자공학은 일렉트로닉스 부품에 나노 기술을 사용하는 것을 의미한다. 이 용어는 매우 작아서 원자간 상호 작용과 양자역학적 특성을 광범위하게 연구해야 한다는 공통 특성을 지닌 다양한 장치 및 재료 세트를 포괄한다. 이러한 후보 중 일부에는 하이브리드 분자/반도체 전자 장치, 1차원 나노튜브/나노와이어(예: 실리콘 나노와이어 또는 탄소 나노튜브) 또는 고급 분자 전자 장치가 포함된다.

나노일렉트로닉 장치는 1 nm에서 100 nm 사이의 크기 범위를 갖는 임계 치수를 갖는다. 22nm CMOS(상보형 MOS) 노드와 후속 14nm, 10nm 및 7nm FinFET(핀 필드-효과 트랜지스터)을 포함하여 최근 실리콘 MOSFET 기술 세대가 이미 이 영역에 속해 있다. 나노일렉트로닉스는 현재의 후보가 기존 트랜지스터와 상당히 다르기 때문에 때때로 파괴적인 기술로 간주된다.

 기본 개념 
1965년에 고든 무어는 실리콘 트랜지스터가 지속적으로 스케일링이 축소되는 것을 관찰했는데, 이는 나중에 무어의 법칙으로 정리되었다. 그의 관찰 이후, 트랜지스터의 최소 기능 크기는 10 마이크로미터에서 2019년 기준으로 10 나노미터 범위로 감소했다. 기술 노드는 최소 기능 크기를 직접적으로 나타내지 않는다는 점에 유의해야 한다. 나노일렉트로닉스 분야는 나노 규모의 기능 크기를 가진 전자 장치를 구축하기 위해 새로운 방법과 재료를 사용하여 이 법칙이 계속 실현될 수 있도록 하는 것을 목표로 한다.

 기계적 문제 
물체의 부피는 선형 치수의 세제곱에 비례하여 감소하지만, 겉넓이는 제곱에 비례하여 감소한다. 이 다소 미묘하고 피할 수 없는 원리는 중요한 결과를 초래한다. 예를 들어, 드릴 (공구)(또는 다른 모든 기계)의 일률은 부피에 비례하는 반면, 드릴의 베어링 및 톱니바퀴의 마찰력은 겉넓이에 비례한다. 정상 크기의 드릴의 경우, 장치의 일률은 모든 마찰력을 쉽게 극복하기에 충분하다. 그러나 길이를 1000배로 축소하면 일률은 10003(10억 배) 감소하는 반면, 마찰력은 10002(100만 배)만 감소한다. 비례적으로 원래 드릴보다 단위 마찰당 일률이 1000배 적다. 만약 원래 마찰 대 일률 비율이 1%였다면, 작은 드릴은 일률보다 10배 많은 마찰력을 갖게 되어 드릴이 쓸모없게 된다.

이러한 이유로 초소형 집적 회로는 완벽하게 작동하지만, 동일한 기술을 사용하여 마찰력이 사용 가능한 일률을 초과하기 시작하는 규모를 넘어서는 기계 장치를 만들 수는 없다. 따라서 미세하게 식각된 실리콘 톱니바퀴의 현미경 사진을 볼 수도 있지만, 그러한 장치들은 현재 움직이는 거울이나 셔터와 같은 제한된 실제 응용 분야가 있는 호기심 이상의 의미는 없다. 표면 장력은 거의 같은 방식으로 증가하여 매우 작은 물체가 서로 달라붙는 경향을 증폭시킨다. 이것은 어떤 종류의 "미세 공장"도 비실용적으로 만들 수 있다. 로봇 팔과 손이 축소될 수 있더라도, 그들이 집는 모든 것은 놓기 불가능한 경향이 있을 것이다. 위에서 언급했듯이, 분자 진화는 수성 환경에서 섬모, 편모, 근섬유 및 회전 모터를 모두 나노 규모에서 작동하도록 만들었다. 이 기계들은 미세 또는 나노 규모에서 발견되는 증가된 마찰력을 이용한다. 추진력을 얻기 위해 정상 마찰력(표면에 수직인 마찰력)에 의존하는 노나 프로펠러와 달리, 섬모는 미세 및 나노 차원에서 존재하는 과장된 항력 또는 층류력(표면에 평행한 마찰력)으로부터 움직임을 발생시킨다. 나노 규모에서 의미 있는 "기계"를 구축하려면 관련 힘을 고려해야 한다. 우리는 거시적 기계의 단순한 재현이 아니라 본질적으로 적절한 기계의 개발 및 설계에 직면해 있다.

따라서 실용적인 응용을 위해 나노기술을 평가할 때 모든 스케일링 문제를 철저히 평가해야 한다.

 접근 방식 

 나노 제작 

예를 들어, 단일 전자에 기반한 트랜지스터 작동을 포함하는 전자 트랜지스터가 있다. 나노전기기계 시스템도 이 범주에 속한다.
나노 제작은 나노와이어를 개별적으로 합성하는 대안으로, 나노와이어의 초고밀도 병렬 어레이를 구축하는 데 사용될 수 있다. 이 분야에서 특히 중요한 것은, 실리콘 나노와이어가 나노일렉트로닉스, 에너지 변환 및 저장의 다양한 응용 분야에서 점점 더 많이 연구되고 있다는 것이다. 이러한 SiNW는 열 산화를 통해 대량으로 제작되어 제어 가능한 두께의 나노와이어를 생성할 수 있다.

 나노재료 전자공학 
작고 더 많은 트랜지스터를 단일 칩에 집적할 수 있을 뿐만 아니라, 나노와이어 및 나노튜브의 균일하고 대칭적인 구조는 더 높은 전자 이동도(재료 내에서 더 빠른 전자 이동), 더 높은 유전 상수(더 빠른 주파수), 그리고 대칭적인 전자/양공 특성을 가능하게 한다.

또한 나노입자는 퀀텀닷으로 사용될 수 있다.

 분자 전자공학 

단일 분자 전자 장치는 광범위하게 연구되고 있다. 이러한 방식은 분자 자기조립을 적극적으로 활용하여 장치 구성 요소를 설계하여 더 큰 구조 또는 완전한 시스템을 스스로 구축하도록 한다. 이는 재구성 가능 컴퓨팅에 매우 유용할 수 있으며, 현재의 FPGA 기술을 완전히 대체할 수도 있다.

분자 전자공학은 미래의 원자 규모 전자 시스템에 대한 희망을 가져다주는 개발 중인 기술이다. 분자 전자공학의 유망한 응용은 IBM 연구원 아리 아비람(Ari Aviram)과 이론 화학자 마크 래트너(Mark Ratner)가 1974년과 1988년 논문 "기억, 논리 및 증폭을 위한 분자"(Molecules for Memory, Logic and Amplification, 단분자 정류기 참조)에서 제안했다.

많은 나노와이어 구조가 나노전자 장치를 상호 연결하기 위한 후보로 연구되어 왔다: 탄소 및 기타 재료의 나노튜브, 금속 원자 사슬, 큐물렌 또는 폴리아인 탄소 원자 사슬, 그리고 폴리티오펜과 같은 많은 고분자들이 있다.

 기타 접근 방식 
나노이오닉스는 나노 규모 시스템에서 전자가 아닌 이온의 수송을 연구한다.

나노광자학은 나노 규모에서 빛의 거동을 연구하며, 이 거동을 활용하는 장치를 개발하는 것을 목표로 한다.

 나노전자 장치 
현재 첨단 기술 생산 공정은 전통적인 하향식 전략에 기반을 두고 있으며, 나노기술은 이미 조용히 도입되었다. 집적 회로의 임계 길이 규모는 CPU 또는 DRAM 장치의 트랜지스터 게이트 길이에 관해서는 이미 나노 규모(50 나노미터 이하)에 있다.

 컴퓨터 
섬네일|right|500px|나노와이어 MOSFET에서 반전 채널(전자 밀도) 형성 및 문턱 전압(IV) 달성을 위한 시뮬레이션 결과. 이 장치의 문턱 전압은 약 0.45V임을 주목한다.

나노일렉트로닉스는 기존 반도체 제조 기술로는 불가능한 보다 강력한 컴퓨터 프로세서를 만들 수 있는 가능성을 제시한다. 새로운 형태의 나노리소그래피뿐만 아니라 전통적인 CMOS 부품 대신 나노와이어 또는 작은 분자와 같은 나노재료를 사용하는 것을 포함하여 여러 가지 접근 방식이 현재 연구되고 있다. 장효과 트랜지스터는 반도체 탄소 나노튜브와 이종 구조 반도체 실리콘 나노와이어(SiNW)를 사용하여 만들어졌다.

 메모리 저장 
과거의 전자 메모리 설계는 주로 트랜지스터 형성에 의존해 왔다. 그러나 크로스바 스위치 기반 전자 장치에 대한 연구는 수직 및 수평 배선 배열 간의 재구성 가능한 상호 연결을 사용하여 초고밀도 메모리를 생성하는 대안을 제시했다. 이 분야의 두 선두 주자는 탄소 나노튜브 기반 크로스바 메모리인 나노램을 개발한 난테로와 플래시 메모리의 미래 대체품으로 멤리스터 재료 사용을 제안한 휴렛 팩커드이다.

이러한 새로운 장치의 예는 스핀트로닉스에 기반을 둔다. 외부장에 대한 재료의 저항 의존성(전자의 스핀으로 인해)을 자기저항효과라고 한다. 이 효과는 나노 크기 물체, 예를 들어 두 개의 강자성 층이 수 나노미터 두께의 비자성 층(예: Co-Cu-Co)에 의해 분리될 때 크게 증폭될 수 있다(GMR - 거대 자기 저항). GMR 효과는 하드 디스크의 데이터 저장 밀도를 크게 증가시켜 기가바이트 범위를 가능하게 했다. 소위 터널링 자기 저항(TMR)은 GMR과 매우 유사하며 인접한 강자성 층을 통한 전자의 스핀 의존적 터널링에 기반을 둔다. GMR 및 TMR 효과는 모두 자기 저항 메모리 또는 MRAM과 같은 컴퓨터용 비휘발성 주 메모리를 만드는 데 사용될 수 있다.

 새로운 광전자 장치 
현대 통신 기술에서 전통적인 아날로그 전기 장치는 엄청난 대역폭과 용량으로 인해 광학 또는 광전자 공학 장치로 점점 더 대체되고 있다. 두 가지 유망한 예는 광자 결정과 퀀텀닷이다. 광자 결정은 사용되는 빛의 파장 절반인 격자 상수로 굴절률이 주기적으로 변하는 재료이다. 특정 파장의 전파를 위한 선택 가능한 밴드 갭을 제공하므로 반도체와 유사하지만 전자 대신 빛 또는 광자를 위한 것이다. 퀀텀닷은 나노 스케일 객체로, 다른 많은 것들 중에서 레이저 구축에 사용될 수 있다. 전통적인 반도체 레이저에 비해 퀀텀닷 레이저의 장점은 방출되는 파장이 점의 직경에 따라 달라진다는 것이다. 퀀텀닷 레이저는 기존 레이저 다이오드보다 저렴하고 더 높은 빔 품질을 제공한다.

섬네일|left

 디스플레이 
저에너지 소비형 디스플레이 생산은 탄소 나노튜브(CNT) 및 실리콘 나노와이어를 사용하여 달성할 수 있다. 이러한 나노구조는 전기 전도성이며 직경이 수 나노미터로 작기 때문에 전계 방출 디스플레이(FED)용으로 극도로 높은 효율의 전계 방출기로 사용될 수 있다. 작동 원리는 음극선관과 유사하지만 훨씬 작은 길이 규모에서 작동한다.

 양자 컴퓨터 

컴퓨팅을 위한 완전히 새로운 접근 방식은 새로운 양자 컴퓨터를 위해 양자 역학의 법칙을 활용하며, 이는 빠른 양자 알고리즘의 사용을 가능하게 한다. 양자 컴퓨터는 동시에 여러 계산을 위한 "큐비트"라는 양자 비트 메모리 공간을 가지고 있다. 나노전자 장치에서 큐비트는 하나 이상의 전자 스핀의 양자 상태에 의해 인코딩된다. 스핀은 반도체 퀀텀닷 또는 도펀트에 의해 구속된다.

 라디오 
탄소 나노튜브를 중심으로 구성된 나노라디오가 개발되었다.

 에너지 생산 
기존의 평면 규소 태양 전지로는 불가능한 더 저렴하고 효율적인 태양 전지를 만들기 위해 나노와이어 및 기타 나노구조화된 재료를 사용하는 연구가 진행 중이다. 더 효율적인 태양 에너지의 발명은 전 세계 에너지 수요를 충족시키는 데 큰 영향을 미칠 것이라고 믿어진다.

또한 생체내에서 작동하는 장치, 즉 바이오-나노 발전기를 위한 에너지 생산 연구도 진행 중이다. 바이오-나노 발전기는 나노 스케일 전기화학 장치로, 연료전지 또는 갈바니 전지와 같지만, 신체가 음식에서 에너지를 생성하는 것과 거의 동일하게 살아있는 신체의 혈당으로부터 전력을 얻는다. 이 효과를 달성하기 위해, 효소가 사용되는데, 이 효소는 포도당에서 전자를 벗겨내어 전기 장치에 사용할 수 있도록 해준다. 이론적으로 일반인의 신체는 바이오-나노 발전기를 사용하여 100 와트의 전기(하루 약 2000 칼로리)를 생성할 수 있다. 그러나 이 추정치는 모든 음식이 전기로 전환될 경우에만 해당되며, 인체는 꾸준히 에너지가 필요하므로 생성 가능한 전력은 훨씬 낮을 수 있다. 이러한 장치에서 생성된 전기는 신체에 내장된 장치(심박 조율기 등) 또는 설탕으로 구동되는 나노봇에 전력을 공급할 수 있다. 바이오-나노 발전기에 대한 연구의 대부분은 여전히 실험적이며, 파나소닉 홀딩스의 나노기술 연구소가 선두에 있다.

 의료 진단 
의료 진단에 사용하기 위해 생체분자 농도를 실시간으로 감지할 수 있는 나노전자 장치를 구축하는 데 큰 관심이 있으며, 이는 나노의학 범주에 속한다.
병렬 연구 라인은 기본적인 생물학 연구에 사용하기 위해 단일 세포와 상호 작용할 수 있는 나노전자 장치를 만드는 것을 목표로 한다.
이러한 장치를 나노센서라고 부른다. 생체내 단백질체 감지를 위한 나노전자공학의 이러한 소형화는 건강 모니터링, 감시 및 국방 기술에 대한 새로운 접근 방식을 가능하게 해야 한다.

 각주 

 더 읽어보기 


   https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-031-64249-4/
 Supriyo Datta의 "Fundamentals of Electronics" 온라인 강좌 (2008)
 Supriyo Datta의 "Lessons from Nanoelectronics: A New Perspective on Transport (In 2 Parts) (2nd Edition)" (2018)

 외부 링크 
 IEEE Silicon Nanoelectronics Workshop
 Virtual Institute of Spin Electronics
 Site on electronics of Single Walled Carbon nanotube at nanoscale - nanoelectronics
 Site on Nano Electronics and Advanced VLSI Research
 Website of the nanoelectronics unit of the European Commission, DG INFSO
 Nanoelectronics at UnderstandingNano Web site
 Nanoelectronics - PhysOrg