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주기율표 원자번호 14번 규소입니다. 영어로는 실리콘(Silicon) 이죠.
실리콘벨리의 실리콘 맞습니다.
실리콘은
건축자재, 시멘트, 콘크리트, 벽돌을 만드는데 사용하고
유리, 도자기를 만드는데도.
인체 보형물, 컨텍트렌즈
세포벽, 식물의 골격, 피부, 머리카락, 손톱, 뼈
그리고 첨단 산업인
반도체, 태양전지, 태양광패널에 필수 요소랍니다.
– 최초 태양전지로 구동하는 위성 : 벵가드 1호
#실리콘#규소#태양광#반도체#태양전지
지구에서 가장 많은 금속. 한때는 금, 은 보다 비싼 금속 주기율표 원자번호 13번 알루미늄(Aluminium) 입니다.
https://youtu.be/TVM0UOnWefg
전 세계 인구 75억명이 동시에 점프하면 어떻게 될까요???
https://youtu.be/HWbNGaLMae8
정전기 란? 정전기 원인, 해결방법 반도체 디스플레이 기본 지식
https://youtu.be/xRjJkSxLrrY
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모래에서 온 ‘실리콘’, 반도체 웨이퍼가 되기까지 – 테크플러스
실리콘은 자원이 풍부해 가격이 저렴하고, 독성이 없어 환경이나 인체에도 무해하죠. 또한, 전기 전도율을 높이려고 불순물 원자를 첨가하는 도핑(Doping)을 통해 전기전도 …
Source: tech-plus.co.kr
Date Published: 10/19/2021
View: 1708
“실리콘 한계 넘자”…2차원 반도체 개발 열기 – 지디넷코리아
이에 따라 실리콘 소재 대신 2차원 나노 소재를 활용한 2차원 반도체가 주목받고 있다. 2차원 소재는 그래핀과 같이 원자층 하나의 두께를 가진 물질로, …
Source: zdnet.co.kr
Date Published: 2/17/2021
View: 8695
왜 반도체로 실리콘(Si)을 사용할까? – 네이버 블로그
실제 반도체에는 Si, Ge, GaAs 등이 사용됩니다. 그 중 실리콘(Si)가 가장 널리 사용되는데요. 그 이유는 뭘까요? 몇 가지만 설명해보겠습니다.
Source: m.blog.naver.com
Date Published: 9/22/2021
View: 1251
[케뉴-원소 이야기] 반도체 주원료, 규소(Si)…실리콘? – 케미컬뉴스
[케뉴-원소 이야기] 반도체 주원료, 규소(Si)…실리콘? 이민준 기자; 승인 2021.02.04 18:35; 댓글 0. 페이스북; 트위터; 카카오톡; URL복사; 기사공유하기Source: www.chemicalnews.co.kr
Date Published: 2/5/2021
View: 1098
[생활 속 화학 이야기] 반도체를 만드는 물질, 규소
규소(실리콘, Silicon)는 원자번호 14번의 원소로, 원소 기호는 Si입니다. 탄소와 비슷한 성질을 가지고 있어서 주기율표에서 탄소 아래에 위치해 …
Source: www.samsungsemiconstory.com
Date Published: 1/1/2021
View: 2206
실리콘은 가라…반도체 업계를 뒤흔들 ‘게임 체인저들’이 온다
반도체 업계를 뒤흔들 ‘게임 체인저들’이 온다. 컴퓨터의 핵심 부품인 트랜지스터가 계속해서 소형화되면서 컴퓨터는 계속 발전해왔다. 그러나 실리콘을 …
Source: www.technologyreview.kr
Date Published: 5/16/2022
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- Author: 다빈치노트
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- Date Published: 2020. 9. 14.
- Video Url link: https://www.youtube.com/watch?v=UxCFcXsBFqk
모래에서 온 ‘실리콘’, 반도체 웨이퍼가 되기까지
반도체 원료인 실리콘은 지구 지각(地殼)에서 산소 다음으로 풍부한 원소로 전체 지각 질량의 약 27.7%를 차지합니다. 우리 주위에서 보이는 흙, 모래, 돌멩이는 이산화규소(SiO2)로 이뤄지는데, 이 물질을 구성하는 원소가 바로 실리콘입니다.
실리콘은 자원이 풍부해 가격이 저렴하고, 독성이 없어 환경이나 인체에도 무해하죠. 또한, 전기 전도율을 높이려고 불순물 원자를 첨가하는 도핑(Doping)을 통해 전기전도나 전도 형태를 변형 할 수 있는데요. 이처럼 흰 도화지 같은 원소여서 반도체 주원료로 사용합니다.
하지만 처음부터 반도체 주 원료가 실리콘은 아니었습니다. 트랜지스터에서 출발한 초창기에는 게르마늄(Ge)을 주로 사용했는데요. 실리콘이 게르마늄 보다 순도, 결정 구조에서 우수하고, 고온에서 안정한 산화막을 형성하는 등의 장점이 있어 현재 반도체 소자 90% 이상은 실리콘 웨이퍼를 원료로 만들고 있습니다.
미국 캘리포니아 주에 있는 실리콘 밸리(Silicon Valley) 명칭도 실리콘에서 유래했을 정도로 반도체 산업에 중요한 요소인데요. 반도체는 전기가 잘 통하는 도체와 통하지 않는 절연체 중간 정도의 전기 저항이 있는 물질입니다.
얼마나 도핑하는 하느냐에 따라 전도도를 조절할 수 있죠. 특히 금속과 달리 온도를 올리면 저항이 줄어들어 전기 전도도가 높아지는 점이 반도체의 중요한 특성인데요. 실리콘의 어떠한 성격 때문에 이런 특성을 띄는 것일지 지금부터 살펴보겠습니다.
왜 반도체로 실리콘(Si)을 사용할까?
왜 반도체로 실리콘(Si)을 사용할까?
# 왜 반도체로 Si를 많이 사용할까?
실제 반도체에는 Si, Ge, GaAs 등이 사용됩니다.
그 중 실리콘(Si)가 가장 널리 사용되는데요.
그 이유는 뭘까요?
몇 가지만 설명해보겠습니다.
첫번째 이유, 바로 낮은 원재료이기 때문입니다.
우리 지구상에는 산소 다음으로 규소(모래성분)가 많습니다.
지각의 27% 정도의 성분이니 할말 다했죠…
하지만 순수 실리콘이 아닌 규석(SiO2)으로 존재하기 때문에 순도 높은 실리콘을 사용하기 위해선 고가의 장비가 필수적입니다.
특히 집적회로IC의 밑판이 되는 웨이퍼는 순도 99.9999….9%의 단결정 실리콘이 사용되고 있죠.
0.0001%라도 불순물이 섞인다면?!
순 실리콘의 결정구조에 문제가 발생하고
차단(open) 혹은 단락(short)을 일으킬 수 있어 회로가 불안정해집니다.
하지만, 원재료가 워낙 싸니깐?!
두 번째 이유는 바로 독성이 없기 때문인데요?!
흔히 코에 넣는 보형물로 실리콘 넣는다고 하죠^^;; 만약 독성이 있다면??
성형에서 실리콘이 쓰이지 않았을 겁니다…
GaAs(갈륨비소)가 실리콘보다 성능이 우수하지만 사용하지 않는 이유는,
위에서 언급한 두 가지, 실리콘보다 고가의 제조비용과 독성 때문입니다.
친환경적인 실리콘~!!!
세 번째 이유는 ‘강하다’입니다.
온도 변화에 따른 특성변화(턴온전압)가 더욱 안정화되어있습니다.
따라서 Ge보다 고온에서도 소자가 잘 동작할 수 있습니다.
# 세 물질의 특성곡선
아래는 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 갈륨비소(GaAs)의 특성곡선입니다.
전류가 특정 전압부터 도통하게 되는데 이 지점을 턴온전압이라고 하는데요.
Ge의 경우 통상 0.3V정도에서 턴온되는데, 온도에 따라 이 특성이 달라집니다.
그리하면 조금의 전압변화에도 민감하게 반응하여 불안정해지겠죠?
# GaAs의 특징
Si의 전자이동도보다 6배나 빠른 GaAs…
그러니 처리 속도면에서 굉장히 빠르겠죠?
따라서 GaAs는 높은 주파수와 고온 환경인 항공우주와 무선통신, 군장비 등에 사용됩니다.
하지만 Si은 웨이퍼 잉곳 제조 시 큰 사이즈로 제조가 가능한데 비해 GaAs는 아직 크게 발전되지 않았습니다.
웨이퍼 잉곳이 크면 클수록 피자사이즈가 커지 듯이 더 많은 칩을 뽑아낼 수 있어 비용적인 부분과 관련있습니다.
또한 위에 언급했듯이 GaAs를 가공하면서 독성물질이 나타나므로
극한 환경에서 사용할 것이 아니라면 친환경적인 Si가 더욱 사용됩니다.
[케뉴-원소 이야기] 반도체 주원료, 규소(Si)…실리콘?
규소(Silicon), 암회색 금속성 물질의 원자번호 14번의 화학원소
실리콘(Silicone), 규소를 원료로 해 합성한 규소수지
화학의 가장 기본적인 원소와 우리 생활과의 연관된 이야기들로 독자 여러분들을 찾아가려고 합니다. 원소의 개수가 118개라고 하니 앞으로 다양한 이야기들을 기대해주세요. [편집자주]
규소는 영어로 ‘Silicon(실리콘)’이다. 우리가 흔히 알고 있는 그 실리콘일까?
말랑말랑한 고무 같은 재질의 일상 생활용품에서 많이 볼 수 있는 실리콘(Silicone)과 같은 단어라고 생각할 수 있는데 규소는 알파벳 e가 없다. 영문 글자도 비슷해 보이지만 동일한 단어는 아니며 연관되어 있다.
규소(Silicon)는 암회색 금속성 물질의 원자번호 14번의 화학원소이며, 규소를 원료로 해 합성한 규소수지가 실리콘(Silicone)이다.
실리콘은 유기성과 무기성을 겸비한 독특한 화학재료로 다양하게 응용된다. 대부분의 산업분야에서 필수 고기능 재료로 사용된다. 실리콘은 규소와 산소 등이 실록산 결합으로 연결된 모양으로 된 폴리머(수지)를 의미한다. 접착제 실런트, 절연체로 널리 사용된다.
주기율표에서 규소(Sillocon, Si) /미 국립보건원 PubChem 갈무리
규소(Silicon)는 기호가 Si인 화학원소로 금속으로 분류되는 규소는 실온에서 고체다. 국제순수응용화학연합(IUPAC)에 따르면 규소의 이름은 부싯돌(flint)이라는 의미의 라틴어 Silix와 Silicis에서 유래했다.
무정형 규소는 1824년 스웨덴의 화학자 욘스 야콥 베르젤리우스에 의해 발견되었다. 그는 규소 용기에 담긴 칼륨 칩을 가열한 다음 잔류 부산물을 씻어내어 무정형 규소를 발견했다고 한다. 결정 규소는 1854년 프랑스의 화학자 앙리 생트-클레르 데빌에 의해 처음 제조되었다.
정제된 규소 조각(왼쪽)과 규소 원소를 발견한 욘스 야콥 베르젤리우스(오른쪽)
규소는 우주에서 일곱 번째로 가장 풍부한 원소이며, 지각에서 두 번째로 풍부한 원소다. 오는 날 규소는 탄소와 함께 모래(SiO2)를 2200℃의 높은 온도로 가열해 생산된다. 결정질 규소는 금속광택과 회색빛을 띠며, 상대적으로 불활성인 원소지만 할로겐과 희석 알칼리의 공격을 받는다. 불소를 제외한 대부분의 산은 규소에 영향을 주지 않는다.
규소 결정은 붕소, 갈륨, 게르마늄, 인, 비소와 같은 원소로 도핑할 때 트랜지스터, 태양전지, 정류기 및 마이크로 칩과 같은 고체 전자 장치의 제조에 사용된다. 규소 카바이드(SiC)는 다이아몬드처럼 단단해서 연마제로 사용되며, 물유리로도 알려진 규산나트륨(Na2SiO3)은 비누, 접착제, 계란 방부제로 사용된다. 사염화규소(SiCl4)는 연막을 만드는 데 사용되고 규소는 윤활제, 연마제, 전기 절연체, 의료용 임플란트에 사용되는 재료의 일조 실리콘의 중요한 성분이기도 하다.
수소화 무정형 규소는 태양에너지를 전기로 전환하기 위한 경제적인 전지를 생산할 수 있는 가능성을 보여주었다.
규소의 사용 /사진=픽사베이
유리와 반도체의 주원료
규소는 인간의 가장 유용한 요소 중에 하나로 모래와 진흙의 형태로 콘크리트와 벽돌을 만드는 데 사용되며, 고온 작업에 유용한 내화재다. 규산염의 형태로 에나멜, 도자기 등을 만드는 데도 사용된다. 유리의 주성분으로 기계적, 광학적, 열, 전기적 특성이 뛰어난 재료 중에 가장 저렴한 재료이기도 하다. 유리는 다양한 모양으로 만들어질 수 있고, 용기, 유리창, 절연체 등 수천 가지의 다른 용도로 사용된다.
규소는 동식물의 생명에도 중요하다. 담수와 바닷물에 있는 규조류는 물에서 실리카를 추출해 세포벽을 만든다. 실리카는 식물의 재와 인간의 뼈에 존재한다. 실리콘은 규소의 중요한 산물이며, 염화규소 디메틸과 같은 염화규소 유기염화규소를 가수분해해 제조할 수 있다. 다양한 대체 클로로실렌의 가수 분해와 응축은 액체에서 고체까지 매우 많은 양의 고분자 제품, 실리콘을 생산하는 데 사용된다.
‘삼성반도체이야기’에 따르면 반도체 집적회로의 핵심 재료인 웨이퍼는 모래에서 추출한 규소로 만들어지며 규소를 뜨거운 열로 녹여 고순도의 실리콘 용액을 만들고, 실리콘 기둥인 잉곳(ingot)을 만들어 다이아몬드 톱을 이용해 균일한 두께로 얇게 자르면 웨이퍼가 된다.
규소는 반도체 탄생에 필수 물질로 미국 캘리포니아주 첨단기술 연구단지 이름이 ‘실리콘 밸리’인 것도 규소에서 유래됐다. 반도체 주원료인 실리콘(Silicon)과 연구 단지가 위치한 산타클라라 인근 계곡 ‘밸리(valley)를 합쳐 만들어진 이름이다.
케미컬뉴스 이민준 기자
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[생활 속 화학 이야기] 반도체를 만드는 물질, 규소 – 삼성반도체이야기
봄이 시작된다는 입춘이 지나고, 긴 겨울도 어느덧 막바지에 접어들었습니다. 볕이 좋은 봄날이면 창가에 앉아 잠시 여유를 즐기고픈 생각을 하게 되는데요. 이렇게 투명한 유리창을 통해 바깥 풍경을 바라볼 수 있는 건 우리 주변에서 흔히 만날 수 있는 원소인 ‘규소’가 존재하기 때문입니다.
유리창은 규소와 산소의 결합으로 만들어 집니다. 산소와 결합한 규소는 투명한 성질을 갖게 되어 이를 이용해서 유리를 만드는 것인데요. 유리 외에도 생활 속에서 규소를 만날 수 있는 곳이 하나 더 있습니다. 바로 컴퓨터, TV, 스마트폰 등에 쏙쏙 들어가 있는 ‘반도체’의 주원료가 규소라는 사실!
이렇게 평소 낯설게 느껴졌던 규소는 사실 우리의 삶 곳곳에서 밀접한 연관을 맺고 있습니다. 투명한 유리잔으로 시원한 물 한 잔을 마실 수 있는 것도, 컴퓨터와 스마트폰을 통해 더 빠르고 편리한 세상을 만날 수 있는 것도 모두 규소 덕분인데요,
오늘은 우리의 생활 곳곳에 숨어 있는 화학물질 중 반도체를 만드는 물질, ‘규소(실리콘)’에 대해 자세히 알아보겠습니다.
■ 지각 구성 물질 중 산소 다음으로 풍부한 ‘규소’
규소(실리콘, Silicon)의 Silicon이라는 이름은 라틴어로 부싯돌을 의미하는 ‘silex’와 탄소의 영문명인 carbon의 ‘on’이 합쳐져 탄생했습니다. 또한 한자식 표현 규소(硅素)는 ‘유리를 만드는 흙의 원소’라는 뜻인데요,
이렇게 이름에서도 알 수 있듯이 규소는 부싯돌이나 흙, 그리고 모래에 가장 많이 들어있습니다. 이 때문에 규소는 지각에서 산소 다음으로 풍부한 원소로, 지각 무게의 약 25% 이상을 차지하는 것으로 추정되고 있습니다.
규소(실리콘, Silicon)는 원자번호 14번의 원소로, 원소 기호는 Si입니다. 탄소와 비슷한 성질을 가지고 있어서 주기율표에서 탄소 아래에 위치해 있는데요. 하지만 규소는 탄소와 달리 금속과 비금속의 특성을 모두 갖는 준금속으로 반도체적 성질을 가지고 있습니다.
그렇다면 이런 특징을 가진 규소는 어느 곳에 이용되고 있을까요?
■ 반도체는 모래에서 나온다
규소가 사용되는 대표적인 곳은 역시 ‘반도체‘입니다. 반도체는 전기가 잘 흐르는 물진인 ‘도체’와 전기가 흐르지 않는 물질인 ‘부도체’의 중간 성질을 가지고 있는데요. 평소에는 부도체처럼 전기가 잘 통하지 않지만, 불순물이 섞이거나 빛 혹은 열을 가하면 전기가 통하는 성질이 생기게 됩니다.
준금속인 규소는 이러한 성질에 적합하기 때문에 반도체 산업에서 가장 많이 이용되고 있습니다. 또한 규소는 지구상에 풍부하게 존재해 안정적으로 얻을 수 있고, 독성이 없어 환경적으로 우수하다는 장점이 있는데요. 이것이 바로 반도체의 주원료가 될 수 있었던 또 다른 이유랍니다.
이처럼 반도체 집적회로의 핵심 재료인 웨이퍼는 모래에서 추출한 규소로 만들어 집니다. 모래에서 추출한 실리콘은 반도체 원료로 쓰이기 위해 정제 과정이 필요한데요, 규소를 뜨거운 열로 녹여 고순도의 실리콘 용액을 만들고 이것으로 실리콘 기둥, 즉 잉곳(ingot)을 만듭니다. 이 잉곳을 다이아몬드 톱을 이용해 균일한 두께로 얇게 절단하면 웨이퍼가 탄생하는 것이죠!
이렇게 탄생한 웨이퍼는 전기가 통하지 않는 순수 상태이기 때문에 반도체적 성질을 갖도록 웨이퍼 표면에 여러 물질을 형성시킨 후, 설계 회로 모양대로 깎고 다시 물질을 입혀 깎는 작업을 반복해 반도체 집적회로로 탄생하게 됩니다.
이처럼 규소는 반도체 탄생에 꼭 필요한 물질인데요, 이러한 특성으로 인해 미국 캘리포니아주에 위치한 첨단기술 연구단지 ‘실리콘 밸리(Silicon Valley)’의 이름도 규소에서 유래됐습니다. 반도체의 주원료인 ‘실리콘(silicon)’과 연구단지가 위치한 산타클라라 인근 계곡 ‘밸리(valley)’를 합쳐서 탄생된 이름이라고 합니다.
■ 반짝반짝 빛나는 보석 크리스털
반도체 외에도 우리 생활 속에서 규소를 만날 수 있는 곳은 매우 많습니다. 먼저 반짝반짝 빛나는 보석인 수정(크리스털)이 대표적인데요. 수정은 규산염의 한 형태로 규소와 산소로 이루어져 있습니다. 여기에 약간의 불순물이 섞이면 자수정과 같은 아름다운 색을 띄게 되는 것입니다.
또한 규소는 철, 구리, 알루미늄 등과 합금을 만드는데 더 많이 사용됩니다. 규소 합금은 우리 주변의 전선, 전화선 및 용접과 자동차 부품에도 사용되는데요. 내부식성이 좋기 때문에 건축물 및 다리, 선박 등 교통기관 제작에도 사용되고 있습니다.
그렇다면 우리가 흔히 알고 있는 ‘silicone’과 ‘silicon’은 같은 의미일까요? 두 용어는 비슷해 보이지만 화학적으로 엄밀히 구별됩니다.
위에서 설명한 것처럼 silicon은 원자번호 14번 규소를 의미하고, silicone은 규소와 산소로 이루어진 고분자 화합물입니다. 즉 ‘silicone’이라 불리는 유기 규소 화합물을 만드는 원료 물질로 규소(silicon)가 사용되는 것입니다. 여기서 silicone은 주로 콘텍트렌즈의 재료, 접착제, 성형수술에 사용되는 보형물 등으로 사용되는데요, 여러분이 흔히 알고 있는 실리콘(silicone)이 이것을 칭하는 말이랍니다.
동에 번쩍 서에 번쩍 다양한 형태로 사용되는 규소의 쓰임새, 알고 보니 놀랍지 않나요? 평소에는 잘 알지 못했지만, 규소는 우리 생활 곳곳에서 폭넓게 이용되고 있었는데요, 이처럼 규소는 우리 생활에 편리함과 즐거움을 더해줄 소중한 존재랍니다.
실리콘은 가라…반도체 업계를 뒤흔들 ‘게임 체인저들’이 온다
컴퓨터의 핵심 부품인 트랜지스터가 계속해서 소형화되면서 컴퓨터는 계속 발전해왔다. 그러나 실리콘을 기반으로 하는 트랜지스터의 소형화에는 한계가 있으므로 다른 기술이나 물질로 만든 새로운 트랜지스터를 개발할 필요가 있다. 실리콘 트랜지스터의 대안으로 여겨지는 다섯 가지 트랜지스터를 하나씩 살펴보자.
1947년에 첫 번째 트랜지스터가 발명됐을 때, 이것이 세상에 어떤 영향을 미치게 될지 상상한 이는 거의 없었을 것이다. 트랜지스터는 논리회로의 핵심을 이루는 스위치로 사용된다.
컴퓨터 기술이 지금처럼 엄청나게 발달한 데에는 실리콘(silicon)의 도움이 컸다. 아주 약간의 불순물을 더하면 실리콘은 컴퓨터 칩을 구성하는 트랜지스터의 재료로서 거의 이상적인 물질이 된다.
50년이 넘는 시간 동안 엔지니어들은 실리콘을 기반으로 하는 트랜지스터의 크기를 점점 더 줄이면서, 그 과정에서 혁신적으로 작고, 빠르고, 에너지 효율까지 뛰어난 컴퓨터를 만들었다. 그러나 오랫동안 이어진 기술의 발전과 그 원동력이 된 트랜지스터의 소형화는 영원히 계속될 수 없다. 캘리포니아 AMD의 컴퓨터과학자 니콜라스 말라야(Nicholas Malaya)는 “이제 실리콘 트랜지스터의 소형화는 거의 한계에 다다랐기 때문에 실리콘을 뛰어넘을 기술이 필요하다”고 설명했다.
실리콘의 뒤를 이을 다음 기술 후보에는 어떤 것들이 있을까? 지난 50년 동안 다양한 방식들이 대안으로 제시됐다. 여기에 그중에 가장 기억할만한 다섯 개의 대안을 제시한다. 이 다섯 가지 방식은 모두 엄청난 반향을 불러일으켰지만, 아직 실리콘을 뛰어넘지는 못했다. 그래도 여기에 아직 희망이 있을지도 모른다.
스핀트로닉스
컴퓨터 칩은 전자의 흐름, 더 구체적으로는 전하의 흐름을 제어하는 방법을 이용해서 만든다. 전하뿐만 아니라 전자는 ‘회전 운동(spin)’을 하는데, 이러한 전자의 회전은 자기장으로 조작될 수 있다. 스핀트로닉스((spintronics)는 1980년대에 이러한 회전을 이용해 비트(bit)를 나타낼 수 있다는 아이디어와 함께 등장했다. 회전의 한쪽 방향은 ‘1’을, 다른 방향은 ‘0’을 나타내는 것이다.
이론적으로 스핀트로닉 트랜지스터는 더 집약적인 칩을 만들 수 있을 만큼 작게 만들어질 수 있다. 그러나 실제로는 그런 소형 스핀트로닉 트랜지스터를 만들기에 적합한 물질을 찾기가 어려웠다. 연구자들은 기본적인 재료과학에 대한 연구가 계속 이루어질 필요가 있다고 생각한다.
그레고리 푹스(Gregory Fuchs) 코넬대학교 응용물리학 교수는 스핀트로닉 기술이 특정 영역에서만 상용화되어왔다고 말했다. 지금까지 스핀트로닉스로 이루어낸 가장 큰 성공은 비휘발성 메모리(nonvolatile memory)로, 이것은 전원 공급이 되지 않는 상황에서 데이터 손실을 방지하는 기술이다. ‘스핀 전송 토크 랜덤 액세스 메모리(STT-RAM: spin transfer torque random access memory)’는 2012년부터 생산되기 시작했으며, 클라우드 저장 시설에서 찾아볼 수 있다.
멤리스터
일반적인 전기는 커패시터(capacitor, 축전기), 레지스터(resistor, 저항기), 인덕터(inductor, 유도기)의 세 가지 요소를 기반으로 한다. 1971년, 전기공학자 리언 추아(Leon Chua)는 네 번째 요소를 이론화했다. 그는 그 네 번째 요소를 ‘메모리 레지스터(memory resistor)’를 줄인 ‘멤리스터(memristor)’라고 명명했다. 2008년에 휴렛 팩커드의 연구원들은 이산화타이타늄(titanium dioxide)을 사용해서 처음으로 실용적인 멤리스터를 개발했다.
이는 매우 흥미를 자극하는 일이었다. 멤리스터는 이론적으로 메모리와 논리 연산 양쪽에 사용될 수 있기 때문이다. 멤리스터는 마지막으로 적용된 전압을 ‘기억’하기 때문에 전원이 공급되지 않더라도 정보를 계속 보유할 수 있다. 또한 멤리스터는 적용된 전압에 따라 저항이 변할 수 있다는 점에서 일반적인 레지스터와는 다르다. 이러한 변화는 논리 연산을 수행하는 데 사용될 수 있다. 컴퓨터 메모리 안에서 연산이 가능해지면, 메모리와 처리장치 사이에 오고 가야 하는 데이터의 양을 줄일 수 있다.
멤리스터는 ‘저항 변화 메모리(resistive random access memory)’를 나타내는 ‘RRAM’ 또는 ‘ReRAM’이라는 명칭의 비휘발성 저장장치로 처음 상용화되었다. 그리고 이 분야는 여전히 발전하고 있다. 2019년에 연구자들은 인공지능(AI)에 사용할 수 있는 5,832개의 멤리스터로 이루어진 칩을 개발하기도 했다.
탄소 나노튜브
탄소는 이상적인 반도체가 아니다. 그러나 적절한 조건이 갖춰지면, 매우 뛰어난 품질의 나노튜브를 만드는 데 사용될 수 있다. 탄소 나노튜브(carbon nanotube)는 2000년대 초반에 처음 트랜지스터로 만들어졌고, 연구에 따르면 그 나노튜브들은 실리콘보다 에너지 효율이 10배나 더 높았다.
사실 여기서 다루고 있는 다섯 개의 대안 트랜지스터 중에서 탄소 나노튜브가 상용화까지 가장 오래 걸릴 수도 있다. 2013년에 스탠퍼드 대학교 연구원들이 세계 최초로 탄소 나노튜브 트랜지스터로만 전력을 공급받는 컴퓨터를 개발하기는 했지만, 그것은 매우 단순한 컴퓨터였다.
그러나 탄소 나노튜브는 작은 공 형태로 둥글게 말려서 스파게티처럼 서로 모이는 경향이 있다. 게다가 대부분의 전통적인 합성 방법들을 사용하면 반도체 나노튜브와 금속 나노튜브가 서로 뒤죽박죽 섞이게 된다. 물질 과학자들과 공학자들은 이러한 불완전성을 수정하고 해결책을 찾기 위한 방법을 연구하고 있다. 2019년에 매사추세츠 공과대학교(MIT) 연구진은 더 개선된 기술을 사용해서 1만 4,000개 이상의 탄소 나노튜브 트랜지스터로 이루어진 16bit 마이크로프로세서를 만들었다. 수백만 개 또는 수십억 개의 트랜지스터로 이루어진 실리콘칩과 비교하면 아직 갈 길이 멀지만, 기술은 계속 발전하고 있다.
DNA 컴퓨팅
1994년에 로스앤젤레스 서던캘리포니아 대학교의 컴퓨터과학자 레너드 애들먼(Leonard Adleman)은 DNA를 이용해서 컴퓨터를 만들었다. 그는 DNA가 시험관에서 스스로 조립되면서 그 유명한 ‘외판원 문제(Traveling Salesperson Problem, TSP)’에서 가능한 모든 경로를 탐색할 수 있다는 사실을 증명했다. 전문가들은 DNA 컴퓨팅이 특히 대규모 병렬 컴퓨팅을 이용하는 방식으로 실리콘 기반 기술을 뛰어넘을 수 있을 것이라고 예측했다. 나중에 연구자들은 DNA 컴퓨팅이 그런 일을 가능하게 하기에는 속도가 충분히 빠르지 않다는 결론을 내렸다.
그러나 DNA에는 몇 가지 이점이 있다. 연구자들은 DNA로 시, GIF 이미지, 디지털 영화 등을 분자로 부호화할 수 있다는 것을 증명했다. 잠재적인 ‘밀도’도 엄청나다. 올해 초에 MIT의 생물공학자들은 논문에서 전 세계의 모든 디지털 데이터가 DNA로 가득 찬 커피 머그잔 하나에 저장될 수 있다고 예측했다. 문제는 비용이다. 논문의 공동 저자 중 한 명은 나중에 DNA 합성이 자기테이프(magnetic tape)와 경쟁하려면 100만 배는 더 저렴해져야 한다고 설명했다. 연구자들이 DNA 저장 비용을 줄이지 못하면, DNA는 세포 속에 계속 갇혀 있어야 할 것이다.
분자 전자
분자 전자(molecular electronics)는 ‘트랜지스터가 점점 더 작아진다고 하면, 그렇게 작아지는 단계를 전부 뛰어넘어서 바로 개별 분자로 트랜지스터를 만들어볼 수 없을까?’라는 매력적인 아이디어에서 출발했다. 나노미터 크기의 스위치를 이용하면 매우 비용 효율적이며, 집약적인 칩을 만드는 데 도움이 될 것이다. 분자를 이용한 이러한 칩은 분자들의 상호작용 덕분에 스스로 조립될 가능성도 있다. 휴렛 팩커드와 다른 기관 소속의 연구원들은 2000년대 초에 이러한 기술 개발을 위해 경쟁했다.
그러나 십여 년 동안 연구가 이루어졌음에도, 분자 전자를 향한 꿈은 여전히 제자리걸음을 하고 있다. 연구원들은 개별 분자가 한정된 조건 하에 트랜지스터로 작동할 때 다루기 매우 까다로워질 수 있음을 발견했다. 앨버타대학교의 화학자 리처드 매크리리(Richard McCreery)는 “개별 분자 장치들이 대규모 병렬 마이크로일렉트로닉스로 확실하게 통합될 수 있는지는 아무도 알 수 없다”고 설명했다.
분자 전자를 향한 꿈은 완전히 사라지지 않았지만, 이 분야는 요즘 화학이나 물리 실험실에서 연구되는 경우가 많다. 그곳에서 연구자들은 끝없이 변덕스러운 분자들을 제어하기 위해 계속 분투하고 있다.
다음은 무엇일까?
실리콘이 여전히 반도체 분야를 장악하고 있기는 하지만, 실리콘 반도체의 한계에 도달할 시간이 점점 다가오고 있다. 국제 디바이스 및 시스템 로드맵(IRDS: International Roadmap for Devices and Systems)의 가장 최근 보고서에서는 트랜지스터 소형화는 2028년 이후에 중단될 것이며, 더 빠르고 효율적인 칩을 계속 개발하기 위해서는 집적회로(IC)를 3차원으로 쌓아야 할 것임을 시사했다.
따라서 지금이 다른 컴퓨팅 장치들이 빈자리를 찾아야 할 때다. 그러나 실리콘 기술과의 결합이 필요할 것이다. 연구원들은 칩을 만드는 혼합 방식을 연구하고 있다. 2017년에 탄소 나노튜브 트랜지스터에 진전을 가져왔던 연구팀이 그 나노튜브를 비휘발성 멤리스터와 실리콘 장치들에 통합했다. 기존 설계 방식에서 벗어나 컴퓨팅의 속도와 에너지 소비를 개선할 방식을 적용한 프로토타입이라고 할 수 있다.
AMD의 말라야에 따르면 기존 실리콘 기반 칩들도 계속 발전할 것이다. 그러나 그는 “미래에는 다양한 방식이 공존할 것이다. 모든 기술들이 기존 컴퓨팅을 보완할 방법으로 사용될 것”이라고 덧붙였다. 다르게 말하면, 미래에도 실리콘은 계속 이용될 것이라는 뜻이다. 그러나 미래에는 다른 물질들도 함께 이용될 것이다.
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