국내 연구진이 세계 최소형 2나노미터(10억분의2미터) 크기의 반도체 트랜지스터 제작을 통하여 최초로 ‘상온 양자효과’를 입증해 한계에 달한 반도체 성능 향상에 돌파구를 제시했다.
교육과학기술부는 ‘프론티어 우수.유망기술도약지원사업’의 지원을 받은 충북대 나노기술연구소 최중범 교수팀 주도하에 일본 홋카이도대 및 영국 캠브리지대와의 국제협력으로 ‘세계 최초로 2나노미터 초소형 반도체 나노트랜지스터 제작을 통하여 상온 양자효과 관측에 성공’하였다고 밝혔다.
양자효과란 트랜지스터의 크기가 10나노미터 이하로 줄어들거나 극저온(영하 200도 이하) 상태에서 에너지나 전자가 작은 덩어리처럼 움직이는 특이한 현상을 말한다. 지난 20여년 동안 이 효과는 극저온 상태에서만 관측되어 상온에서 트랜지스터 특성에 미치는 영향을 알지 못했다.
반면, 최교수팀은 2나노미터 크기의 반도체 트랜지스터 제작에 성공하여 최초로 상온에서 전자의 전하 및 에너지의 양자화가 나노트랜지스터 동작 특성을 현저하게 변화시키는 결과를 실험적으로 규명할 수 있었다.
현재 상용화되어 쓰이고 있는 트렌지스터는 30나노미터 정도이며 실험적으로 개발된 크기도 20나노미터 정도로 2나노미터 크기는 세계 최소수준이다. 또한, 기존의 반도체는 0 혹은 1이라는 입력 값으로만 연산 가능한데 반하여 금번 개발한 2나노미터 나노트랜지스터에서는 상온 양자효과에 의해 단 한 개의 소자에 0, 1, 2, 3..이라는 다중치 연산이 가능해 필요한 회로의 수를 줄일 수 있다.
따라서 상용화하는 경우 차세대 테라비트급 컴퓨터, 특히 노트북 및 스마트폰 등의 초소형 모바일 기기에 들어가는 반도체 소자의 소비전력 상승에 따른 발열량을 수십배 이상 줄일 수 있다.
최 교수는 “이번 연구 결과에서 얻은 상온양자효과를 이용하면 기존 실리콘 소재의 반도체로도 회로 수와 전력 소모를 크게 줄인 테라급 기능의(현재 기가급 반도체의 1000배) 나노반도체 구현이 가능해질 것”이라고 연구의 의의를 밝혔다.
이번 연구결과의 신뢰도를 높이기 위해 이론물리학자인 고려대 양승렬 교수가 참여하여 이론적 검증을 수행했으며, 연구결과는 나노과학분야 권위지인 미국 ‘나노레터즈 (Nano Letters)’ 4월호에 게재되었다.
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