탄소 나노튜브 소자 기술

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소개글
탄소 나노튜브 소자 기술에 대한 자료입니다.
본문내용
탄소나노튜브소자는 기존에 존재하는 소자의 개념을 유지하면서 기존 소자의 한계기술을 극복하여 고강도, 고감도, 초소형화, 초경량화, 고정밀도 기능 구현을 목표로 하고 있다. 정보단말기나 전원기술의 적용으로 휴대기기의 극소화/경량화, 센서나 필터 분야에서 고감도/선택성, 저장매체나 Display 분야에서 정보용량의 대용량화/저소비전력, 태양전지 및 연료전지를 포함하는 에너지 분야에서는 높은 반응성이 한계기술을 극복하는 핵심이 되고 있으며 이에 따라 탄소나노튜브 소자에 대한 기대가 매우 크다. 또한, 향후 필요나 상상에 의한 미래 신기술 분야인 질병진단, 나노로봇 등 나노크기의 정밀센서나 기계소자가 탄소나노튜브소자 기술을 기반으로 구현될 것으로 기대된다. 기술 동향 탄소나노튜브 트랜지스터를 이용한 전자회로 상온에서 탄소나노튜브를 이용한 FET(Field Effect Transistor)는 1998년 네덜란드의 데커(Dekker) 그룹에 의해 최초로 시연된 이후 실리콘 기반의 트랜지스터 기술의 대안으로 주목받고 있다. 탄소나노튜브FET는 에서와 같이 기판에 형성된 탄소나노튜브를 트랜지스터의 채널(Channel)로, 탄소나노튜브의 양 끝단에 금속 전극을 부착하여 전자(Electron)나 정공(Hole)의 소오스(Source)와 드레인(Drain)을, 게이트(Gate) 절연막과 게이트를 순차적으로 형성한다. 전자회로의 구성요소로서 트랜지스터는 스위치와 신호 증폭기의 두가지 기능을 수행한다. 이는 게이트의 전압에 따라 소오스와 드레인 사이에 흐르는 전류의 양을 제어할 수 있기 때문이다. 탄소나노튜브 트랜지스터의 게이트전압 의존성을 보면, 음의 전압을 게이트에 인가했을 경우(Vg 0), 탄소나노튜브 채널을 통한 전류가 감소된다. 이로 부터 채널 내에서의 전류는 주로 정공에 의해 일어남을 알 수 있고, 이는 일반적인 p형 실리콘 트랜지스터와 동일하다. 다른 한편으로 알칼리족(주기율표에서 1족에 위치한 원소) 원소인 칼륨(K)을 탄소나노튜브와 결합시키면 전자의 이동으로 인한 전류를 얻게 되어 n형 트랜지스터가 가능하다. p형과 n형 트랜지스터의 선택적인 제조가 가능하다는 사실은 탄소나노튜브의 전자회로 응용 가능성에 있어 매우 중요한 요소이다. 이로써 현재의 실리콘반도체 집적회로기술의 연장선에서 새로운 개념의 도입이 없이도 CMOS 회로 기술에 탄소나노튜브 트랜지스터를 적용할 수 있게 되는 것이다. 실제로 매우 초보적인 단계이기는 하지만 CMOS 인버터와 동일 기능을 하는 탄소나노튜브 인버터가 시연되었고, 트랜지스터의 증폭기능에 의해 작동하는 CMOS 링오실레이터 (Ring Oscillator)가 탄소나노튜브 트랜지스터의 조합으로 시연된 바 있다. 트랜지스터의 채널(Channel)이 작아지게 되면 캐리어(Carrier : 전자나 정공을 통합하여 지칭함)가 지날 수 있는 경로도 작아지게 되어 캐리어의 이동도(Mobility)가 큰 물질의 선택이 필수적이다. 이동도가 증가되기 위해서는 개별 캐리어가 이동하는 매질이나, 캐리어 상호간에 산란이 억제되어야 하고 이를 물리학에서는 발리스틱 전자수송 (Ballistic Transport) 이라고 표현한다. 트랜지스터 응용에서 크기의 미세화 관점 외에 탄소나노튜브의 장점은 원자구조의 결함을 제거하는 정도에 따라 원리적으로 발리스틱 전자수송이 가능하다는데 있다. 실제로 탄소나노튜브 트랜지스터에서 측정된 캐리어 이동도는 실리콘에 비해 10배 이상 크고, 효과적으로 결함을 제거하는 기술의 발전으로 더 큰 이동도를 기대할 수 있다. 탄소나노튜브 광소자 탄소나노튜브의 광소자응용은 문턱전압이상의 전압을 인가하여 탄소나노튜브의 끝단에서 방출된 전자가 발광판과 충돌하여 빛을 내는 TV 브라운관에서 전자빔이 발생되는 것과 같은 기능을 탄소나노튜브로 이용하여 얻는 경우와 탄소나노튜브 내에서 전자와 정공의 Recombination에 의한 자발적인 발광 현상을 이용하는 두 경우로 분류할 수 있다. 전자의 기술은 FED(Field Emission Display)에 적용하고자 하는 연구가 수 년 전부터 진행되어 왔고, 현재의 기술 수준은 나노튜브의 분산기술을 기반으로 50인치 이상의 대면적 기술이 확보되어 있다. 이와 같은 대면적 기술에도 불구하고 상용화를 위해서는 충분한 작동 수명을 확보해야 하는 문제가 남아 있다. 발광다이오드와 같이 자발적 발광현상을 이용하는 기술은 탄소나노튜브의 Ambipolar 특성, 즉 트랜지스터 구조에서 게이트 전압을 조절하여 전자와 정공을 채널에 유도하면 전자와 정공이 서로 만나는 지점에서 빛이 생성된다. 나노 크기를 갖는 발광다이오드의 구현은 또 다른 나노전자소자의 분야인 반도체 나노선 기술의 중요 응용 분야이기도 하다. 탄소나노튜브 역시 반도체이기도 하기 때문에 원리적으로 반도체 나노선이 추구하는 발광 현상을 기대할 수 있으며, Ambipolar 특성은 반도체 나노선에서 난제기술인 Junction의 형성없이 발광 현상을 만들 수 있다는 장점이 있다. 는 탄소나노튜브를 이용한 발광소자의 예를 보인다. 탄소나노튜브 박막트랜지스터 탄소나노튜브의 전자소자 응용기술에 있어 근본적인 장벽은 반도체성 나노튜브와 금속성 나노튜브가 혼재되어 합성된다는데 있다. 현재의 기술은 분리기술 분야에서 부분적인 성공을 보여주고는 있으나 완벽한 정제기술과는 아직도 거리가 있다. 기판을 사용한 위치제어 성장, 즉 CVD법을 이용한 성장 기술도 동일한 상황이다. 금속성 나노튜브가 혼합된 상태로 탄소나노튜브로 구성된 전자소자를 배열한 집적소자를 만들었을때, 이론적으로 33%에 달하는 개별소자의 결함이 예측되는 실정이다. 이와 같은 상황에 대처하기 위하여 자체보상을 할 수 있는 새로운 개념의 Architecture가 연구되기도 하지만 재료자체의 완벽한 조절이 보다 바람직하다. 한편, 현재의 분리성장기술의 한계 속에서도 통계적인 접근을 이용하여 개별소자의 결함을 없애는 새로운 개념의 트랜지스터가 제안되었다(그림 3). 탄소나노튜브 박막트랜지스터의 장점은 단일겹 탄소나노튜브를 성장할 수 있고 그 밀도가 Percolation threshold (66%의 반도체성 나노튜브와 34%의 금속성 나노튜브를 가정할 때 1/㎛2 )보다 작으면 소자의 Channel 내에 금속성 Path없이 완전한 트랜지스터로 작동할 수가 있다. 최근 국내 연구진에서 프라즈마 CVD를 이용하여 반도체성 탄소나노튜브의 밀도를 높여 Percolation threshold를 100배 이상 향상된 결과를 발표하였으며, 이로부터 탄소나노튜브 박막 트랜지스터의 실용화에 대한 기대를 불러 일으키고 있다. 기타 탄소나노튜브 소자 응용기술 탄소나노튜브의 응용기 술 후보 중 전자소자나 광소자와 같이 산업적으로 파급효과가 큰 분야 중의 하나가 센서 분야이다. 이 분야는 나노튜브가 갖는 재료의 표면적이 크다는 구조적인 특성과 나노튜브 외부 환경에 전기적으로 민감한 전기적인 특성을 이용한다. 그 예로 각종 가스 혹은 액체형태의 미지 물질을 검출하거나, 바이오 기술과 융합하여 생체분자나 DNA의 종류를 검출하는 소자로의 응용이 기대되고 있다. 이 밖에 탄소나노튜브의 기계적인 특성과 전기특성을 조합하여 새로운 개념의 메모리소자를 제안하고 이를 상용화하려는 시도가 Harvard대학에서 제안된 기술을 기반으로 Nantero라는 회사를 통해 에서처럼 제품 수준의 개발이 진행되고 있다. Natero사는 이와 같은 아이디어로 2005년 IEEE Spectrum에서 선정한 10년 후의 유망 기업으로 선정된 바 있다. 이와 같이 탄소나노튜브의 고유 특성을 이용한 신개념의 소자가 제안되고 있고, 향후에도 개별 연구를 통해 도출될 것으로 기대된다. 에서는 탄소나노튜브로 구현이 가능할 것으로 예측되거나 현재 그 가능성이 입증되어 실용화 연구가 진행 중인 소자를 일부 요약하여 나타내었다 국내외 동향 산업계의 연구동향 대기업 중심의 탄소나노튜브 소자연구는 일반적으로 전자소자의 구현이 그 목표이다. 또 다른 특징으로 정부 주도의 국책과제에 참여하는 것이 일반적인 경향으로, 이는 10년 후의 기술을 대비하는 기술 분야임을 감안할 때 당연하다고 볼 수 있다. 현재 대부분의 반도체기업에서 규모의 차이가 있지만 소속 연구소를 중심으로 탄소나노튜브의 전자소자 응용기술에 대하여 많은 연구를 수행하고 있으며, 기술을 선도하는 기업으로 미국의 IBM, 일본의 NEC, 유럽의 Infineon을 꼽을 수 있다. IBM은 연구조직의 국제적인 명성에 걸맞게 탄소나노튜브 트랜지스터의 기본 동작원리나 전기/광학적 특성의 물리적 규명, 전자소자의 제작 등 기초연구 분야에서 뛰어난 연구 실적을 지속적으로 발표하고 있다. NEC는 탄소나노튜브를 처음으로 발견한 기관으로 재료 측면에서 탄소나노튜브의 기반기술을 보유하고 있고, 현재의 연구 방향도 탄소나노튜브 재료분야에 강점을 갖고 있으나, 소자에 관한 연구도 활발하게 진행되고 있다. 학계의 연구동향 탄소나노튜브는 1991년 일본의 Iijima에 의해 처음 발견된 이후 매우 많은 연구가 이루어지고 있는 분야이다. 초기의 주요 연구는 재료의 합성, 물성 및 화학적특성분야에서 이루어져 왔고, 1998년 나노튜브 트랜지스터의 구현 이후에는 소자응용 기술이 주요 연구 분야가 되었다. 네덜란드 Delft 대학의 Dekker 그룹이 1998년 최초로 탄소나노튜브 트랜지스터를 제안한 후 Rice 대학의 Smalley 그룹, Harvard 대학의 Lieber 그룹, Stanford 대학의 Dai 그룹에서 소자관련 대표적인 연구가 수행되어 왔고, 비슷한 시기에 독일의 막스플랑크연구소나 미국의 NASA, Naval Research 등 국책 연구소에서도 탄소나노튜브 소자 관련연구가 활발하다. 국내 연구개발 동향 국내의 대표적인 탄소나노튜브 전자소자 연구는 21세기 Frontier 연구사업의 테라급나노소자개발사업단의 과제로 진행 중인 탄소나노튜브 전자소자 개발 과제가 있으며, 이 연구는 탄소나노튜브의 전자소자구현을 위한 3가지 핵심기술인 단일겹 탄소나노튜브 선택성장 기술, Integration기반 탄소나노튜브 위치제어 기술, C
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