우주 등 극한에서도 안정적인 '초소형 나노진공관 트랜지스터' 개발

▲DGIST 전기전자컴퓨터공학과 허수진 박사와 장재은 교수가 개발한 '초소형 나노 진공관 트랜지스터' 개념도DGIST 제공

대기압에서 극한의 외부 환경에 영향을 받지 않고 안정적으로 동작하는 '초소형 나노 진공관 트랜지스터'를 국내 연구진이 개발했다.

DGIST(대구경북과학기술원, 총장 국양)은 전기전자컴퓨터공학과 허수진 박사와 장재은 교수팀이 과거 진공관의 원리와 현대의 반도체 생산 기술을 결합해서 이같은 '나노 진공관 트랜지스터'를 개발했다고 1일 밝혔다.

이어 "연구팀이 개발한 '초소형 진공관'은 대기압 상태에서 안정적으로 작동하는 높은 품질의 진공도를 유지했다"면서 "이 장치가 접합된 '나노 진공 트랜지스터'는 특수한 장치 없이 다양한 극한 조건에서 동작이 가능했다"고 설명했다.

특히 DGIST는 "–173°C~120°C의 넓은 온도 범위 및 X-ray, 자외선, 등 극한의 외부 환경 변화에도 안정적인 동작 특성을 나타내는 것을 확인했다"면서 "때문에 향후 항공우주, 인공지능, 6G 통신, 자율주행 자동차 등 다양한 분야의 획기적인 발전에 기여할 수 있을 것으로 기대된다"고 알렸다.

무엇보다 DGIST 연구팀이 개발한 '나노 진공관 트랜지스터'는 기존의 CMOS(상보형 금속 산화막) 반도체 공정과 호환성이 높고 간단한 방식으로 제작 될 수 있어 기존 반도체 기술의 문제를 해결할 수 있는 새로운 대안이 될 수 있다고 보고 있다. 또 전자기기가 필수화된 요즘 시대에 고도로 기술화된 전자기기에 사용이 되는 '차세대 전자 소자'로서 응용할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

DGIST에 따르면, 최초의 전자 소자인 진공관은 전기 신호를 스위칭, 증폭 및 정류하는데 사용되는 장치로써, 과거에는 최초의 컴퓨터인 애니악, 라디오, 텔레비전 등 각종 전자 기기에 이용이 되는 주요 부품 중 하나였다. 현재까지도 높은 주파수, 큰 전력용도가 요구되는 일부 특수한 분야에서는 사용되고 있다.

그러나 진공관은 높은 전력 소모, 높은 발열, 큰 부피(낮은 집적도) 문제 때문에 대부분 고체 상태인 실리콘 기반의 반도체 트랜지스터로 대체됐다. 그렇지만 실리콘 기반의 반도체 트랜지스터는 물질의 특성상 동작 속도의 한계가 나타나고 외부 환경에 민감해 특성이 쉽게 변하거나 소자가 영구 손상이 되는 문제가 있어 넓은 범위에 응용되는데 어려움이 있어 왔다.

때문에 전 세계 연구진들은 다양한 응용을 위해 새로운 물질, 새로운 동작원리를 갖는 새로운 전자 소자의 개발이 필수적이라고 보고 연구해 오고 있다. 이에 DGIST의 장 교수팀은 과거 진공관의 원리와 현대의 반도체 생산 기술을 결합한 초소형 나노 진공관 트랜지스터를 개발해 낸 것이다.

장 교수 연구팀은 "실리콘 기반의 반도체 트랜지스터의 근본적인 문제를 해결하기 위해서 비어 있는 상태인 진공을 채널(전자 수송의 매개체)로 이용하고, 양자역학적 터널링 현상을 동작 원리로 갖는 나노 진공 트랜지스터를 개발했다"면서 "나노 공정 기술을 이용해 진공 소자를 약 10억 분의 1m 사이즈로 초소형화했다"고 핵심 과정을 소개했다.

또한 연구팀은 진공 상태에서만 동작하는 진공 트랜지스터의 한계를 극복하기 위한 '진공 보호막 형성 기술'을 개발해 약 100경 분의 1L로 부피를 극소화 한 '초소형 진공관' 개발해 트랜지스터를 안정적으로 동작시키도록 설계했다.

▲DGIST 전기전자컴퓨터공학과 허수진 박사, 장재은 교수(사진 왼쪽부터).DGIST 제공

장재은 DGIST 전기전자컴퓨터공학과 교수는 "이번 연구를 통해 개발된 초소형 나노 진공관 트랜지스터는 진공 소자 실용화의 장벽을 낮출 수 있는 새로운 기술"이라며 "기존 반도체 기술의 대체뿐만 아니라 미국 항공우주국(NASA)에서도 관련 기술을 꾸준히 연구하고 있다"고 말했다.

그러면서 "최근 떠오르고 있는 항공우주분야와 광범위한 차세대 전자 소자에 중요한 해결책이 될 수 있을 것이라 기대된다"고 덧붙였다.

이번에 개발된 기술의 사용처에 대해서는 "기존의 실리콘 기반의 반도체 트랜지스터와 비슷하게 일반 트랜지스터처럼 대기압에서도 동작할 수 있으므로 활용범위가 매우 넓다"면서 "극한의 환경이나 고속 동작 등의 첨단 기술에 응용뿐만 아니라 기존에 트랜지스터가 사용되는 모든 전자기기, 예를 들어 스마트폰, 컴퓨터 등에 사용될 수 있다"고 예를 들었다.

추가로 '실용화'를 위해 얼마나 걸릴 지에 대해서는 "본 연구를 통해 고안된 소자는 기존의 CMOS 반도체 공정을 그대로 사용할 수 있기 때문에 당장 제작이 가능하다"면서도 "하지만 응용처가 항공우주, 인공기술, 6G 등 매우 새로운 분야로, 응용 시스템의 선행 개발이 필요하며, 신뢰성의 향상과 빠른 동작 속도를 도출하기 위한 추가 연구가 진행될 예정"이라고 답했다.

한편, 이번 연구는 삼성전자의 산학과제 지원으로 이뤄졌으며, 연구의 성과는 관련 분야 최우수 국제학술지인 <ACS NANO(IF=18.027)>에 온라인 게재됐다.

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