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- 연구원들은 발열성 이산화규소로 수용성 은 전해질을 농축
- 생성된 젤은 고체의 장점과 액체의 전기화학적 특성을 결합
- 실온에서 원자 수준 트랜지스터

원자 전자: 단일 원자 트랜지스터

소형화
반도체 재료가 필요하지 않고 실온에서 작동하며 직경이 은 원자 하나인 트랜지스터 - Karlsruhe Institute of Technology(KIT)의 연구원들이 세계에서 가장 작은 이 트랜지스터를 개발했다. 단일 원자 트랜지스터는 마이크로 전자 공학 분야의 돌파구를 나타내며 매우 낮은 전력 소비가 특징이다. 

▲ 사진은 2018년 토마스 쉼멜 교수 연구팀이 개발한 원자 트랜지스터이다. (출처: KIT Institute for Applied Physics)

단일 원자 트랜지스터의 작동 방식

Karlsruhe에 있는 Institute for Applied Physics의 물리학자이자 물리학 및 나노기술 전문가인 Thomas Schimmel 교수가 이끄는 연구팀은 아마도 세계에서 가장 작은 트랜지스터를 개발했다. 이것은 전류 제어를 위해 반도체를 사용하지 않는 기술적 접근 방식으로 작동한다. 트랜지스터는 완전히 금속으로 만들어졌다. 이것은 매우 낮은 전기 전압과 극히 낮은 전력 소비를 가능하게 한다.

KIT의 단일 원자 트랜지스터는 처음에는 액체 전해질에 의존했지만 연구팀은 마침내 트랜지스터가 젤과 함께 작동하도록 하는 방법을 찾을 수 있었다. 이를 위해 연구원들은 발열성 이산화규소로 수용성 은 전해질을 농축했다. 생성된 젤은 고체의 장점과 액체의 전기화학적 특성을 결합한다. 이것은 취급을 용이하게 하고 또한 트랜지스터의 안전성을 증가시킨다.

트랜지스터의 중심축은 은 원자다. 양자 전자 소자는 이 단일 원자의 변위를 이용하여 전기적 경로를 전환한다. 과학자들은 두 개의 작은 금속 접점을 만들었다. 접점 사이에는 은 원자 하나만큼 넓은 간격이 있다.

Schimmel 교수는 "전기 제어 임펄스를 사용하여 이 틈에 단일 은 원자를 배치하고 회로를 닫는다"며 "은 원자가 다시 제거되면 회로가 끊어진다"고 설명했다.

실온에서 원자 수준 트랜지스터

특이한 점은 트랜지스터가 실온에서 작동한다는 것이다. 트랜지스터는 최초의 단일 원자 트랜지스터가 아니다. 예를 들어, 2012년에 국제 연구팀은 단일 인 원자를 가진 세계에서 가장 작은 트랜지스터 칩으로 간주되었던 것을 개발했다. 그러나 그 당시 단원자 트랜지스터는 섭씨 영하 196도의 액체 질소에 해당하는 극한의 추위 상태로 유지되어야 했다. 실온에서의 기능은 많은 것을 단순화하고 보다 에너지 효율적인 사용을 가능하게 한다.

정보 기술을 위한 트랜지스터의 중요성

디지털화는 종이를 절약하고 여행 경비를 절약할 수 있기 때문에 종종 환경친화적인 대안으로 간주된다. 포괄적인 디지털화는 높은 에너지 요구 사항과 밀접한 관련이 있다. 산업화된 국가에서는 전기 수요의 10% 이상이 정보 기술에서 기인한다. 그리고 디지털 데이터 처리의 핵심 요소인 트랜지스터는 이러한 에너지 소비의 핵심이다. 대형 데이터센터는 물론 가정용 PC와 스마트폰에서도 사용된다.

표준 USB 스틱에는 수십억 개의 트랜지스터가 있다.
여기에 엄청난 양의 절약 잠재력이 있다. 단일 원자 트랜지스터는 다양한 장치의 에너지 효율을 향상시키는 데 도움이 될 수 있다. 구체적으로 말하자면 단일 원자 트랜지스터는 스위칭 동작에 기존 트랜지스터의 약 0.1%의 에너지만 필요로 한다. Schimmel 교수는 "양자 전자 장치의 이 요소는 기존 실리콘 기술보다 1만 배 더 작은 스위칭 에너지를 가능하게 한다"고 설명했다. 이것은 정보 기술 분야에서 완전히 새로운 관점을 열어준다.

2022년 무어의 법칙

무어의 법칙은 인텔의 공동 창업자인 고든 무어와 그의 경험적 관찰로 거슬러 올라간다. 무어는 마이크로칩이 포함할 수 있는 트랜지스터의 수가 그에 따라 증가함에 따라 컴퓨터의 속도와 성능이 2년마다 두 배가 될 것이라고 믿었다. 이 말은 항상 반도체 기술 발전의 원동력이었지만 그 기원은 1965년으로 거슬러 올라간다.

수년에 걸쳐 무어의 법칙의 세부 사항은 트랜지스터 밀도의 실제 증가를 설명하기 위해 수정 및 조정되었다. 그러나 법의 기하급수적 특성은 수년 동안 유지되었다.
그러나 최근 개발 둔화로 인해 이 법은 반복적으로 죽은 것으로 선언되었다. 간단히 말해, 무어의 법칙은 물리적 한계에 도달하고 있다. 개별 원자 크기의 칩 구성 요소를 사용하면 이러한 한계를 조금 더 확장할 수 있습니다. 그러나 단일 원자 트랜지스터의 개발은 또한 트랜지스터 밀도에 대한 무어의 법칙 예측이 마침내 흔들리는 것처럼 보이는 지점이기도 하다. 오늘날의 물리학 이해에 따르면 트랜지스터를 더 작게 만드는 것은 거의 불가능하기 때문이다.

또한, 특히 정보 기술 분야의 개발은 이러한 방향으로 이동한 결과 비용이 더 많이 들고 기술적으로 더 복잡해지고 있다. 반면에 칩을 더 이상 작게 만들지 않으면 모든 기술 부문에 막대한 영향을 미칠 것이다. 그리고 그러한 작은 구조의 공간은 더 높은 집적 밀도뿐만 아니라 더 낮은 에너지 요구 사항으로부터도 이점을 얻는다. 트랜지스터 밀도가 높을수록 더 작은 영역에서 더 높은 전력 손실과 열 문제가 발생하기 때문에 이는 특히 중요하다.

결론
단일 원자 트랜지스터는 상온에서 원자 전자 및 양자 전자 시스템의 새로운 관점을 위한 기초를 형성한다. 개발은 아직 비교적 초기 단계이지만 이점은 이미 명백해지고 있다. 밴드갭이 없는 완전 금속 트랜지스터인 단일 원자 트랜지스터는 스위칭을 가능하게 하여 밀리볼트 범위의 전압에서 논리 연산을 수행하여 전력 소비를 크게 줄인다. 그러나 기술적 적용 가능성에 있어 결정적인 것은 거시적 수준에서 원자 전자 장치와 기존 전자 장치의 규모 사이의 인터페이스이다.

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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