반도성 세라믹소재 및 응용기술의 전망

김 창 열_ 한국세라믹기술원 나노융합지능소재팀 팀장

미래 IT사회 트렌드 : 인간-컴퓨터의 상호작용
미래 IT사회의 변화트렌드는 대용량의 정보를 고속으로 처리할 수 있는 고속, 고용량, 다기능(플렉서블, 투명성)과 같은 새로운 반도체의 성능을 추구하는 방향으로 흘러가고 있다.
최근의 연구추세는 컴퓨터 메모리와 인간의 뇌를 직접적으로 연결함으로써, 인간의 뇌에 저장된 정보와 컴퓨터의 정보를 서로 연결시키려는 연구가 활발히 진행되고 있다.
즉, 인간-컴퓨터의 상호인지 및 작용(Human-IT interface or interaction)을 통하여 컴퓨터와 인간의 경계를 허물려고 하는 시대에 돌입하고 있다. 우리는 가까운 미래에 인간의 뇌속에 저장된 지식, 경험, 감정 등을 컴퓨터 메모리에 저장하는 시대에 직면할지도 모른다.(그림 1)

1970년대 개인용 컴퓨터의 개발은 인간의 지적인 활동을 비약적으로 증대시켰고, 또한 컴퓨터의 네트워킹을 통하여 정보의 공유가 활발하게 이루어지고 있다.
1990년대에는 개인용 통신기기의 개발 및 2000년대 들어서서 스마트폰의 개발은 개인용 컴퓨터가 손 안에 들고 다니는 모바일시대를 열어주었고, 특히 아이폰과 갤럭시폰을 통하여 더욱 더 컴퓨터와 인간의 상호작용을 보다 더 친밀하게 하고 있다. 특히 멀티터치를 통하여서 크기는 작으면서도 입력을 자유롭게 할 수 있는 기능을 통하여 보다 더 쉽게 컴퓨터를 활용할 수 있게 하고 있다. 그리고 음성인식을 통하여서 컴퓨터가 음성을 인식하고 정보를 입력하거나 전달할 수 있는 시대이다. 또한, 향후에는 앞에서도 언급한 바와 같이 인간이 생각한 바를 즉시 컴퓨터가 인식하거나 정보를 전달할 수 있는 시대에 직면할 것으로 기대된다.
초고속-고용량-휴먼오감기능을 나타내는 반도성 세라믹소재
이러한 IT시대를 연 것은 다름아닌 실리콘 반도체라고 할 수 있다. 실리콘 반도체를 통하여 초소형의 트랜지스터와 이를 정보로 저장할 수 있는 메모리반도체와 인간의 뇌에 해당하는 중앙연산처리장치(CPU)의 개발로 말미암아 인간과 유사하게 생각하고 연산하고 또한 정보를 저장하는 컴퓨터와 스마트폰의 시대가 가능하였다. 향후에도 이러한 실리콘 반도체의 역할은 크게 변화하지 않을 것이라고 생각된다. 하지만, 실리콘 반도체가 할 수 없는 투명성과 유연성, 그리고 인간의 코와 같은 역할을 하는 후각센서, 혀의 역할을 하는 미각센서, 또는 빛을 낼 수 있는 LED(Light Emitting Diode), 빛을 감지할 수 있는 광센서(Photodetector), 인간의 피부와 같이 작은 미동이나 물건을 감지할 수 있는 촉각센서(tactile sensor), X선과 같은 영상이미지를 고선명도로 이미지화하여 저장할 수 있는 영상진단 이미지센서 등에는 새로운 반도성세라믹 소재가 필요하다.

(그림 2)

반도성세라믹 소재의 정의 및 특성(투명성, 고속, 다기능성)
반도성세라믹 소재는 실리콘 반도체가 모래(SiO2)에서부터 실리콘(Si) 단결정을 만들고 이를 웨이퍼로 만들어서 메모리와 CPU소자를 만들었던 것과 같이, 지각속에 있는 대표적인 산화물소재인 산화인듐(In2O3), 산화주석(SnO2), 산화아연(ZnO)와 같은 반도성 특성을 갖는 물질로 이루어져 있다. 보통은 산화물이지만, 대표적인 LED 반도체인 GaN나 화합물 반도체인 GaAs와 같은 반도성 물질도 반도성 세라믹 소재라고 할 수 있다. 반도성 세라믹 소재는 소재의 조성을 조절하는 것에 의하여 전기가 전혀 통하지 않는 절연성, 전기나 빛에 의하여 전기가 통하거나 통하지 않는 반도성, 그리고 전기를 금속처럼 흐르게 하는 전도성 등으로 전기적인 물성을 제어할 수 있는 장점을 가지고 있다.(그림 3)

보통의 금속은 전기를 잘 흐르게 하지만, 가시광선의 빛은 반사하는 특성을 가지고 있기 때문에 구리전선과 같이 전기배선으로 사용되며, 반도체 소자에도 배선으로 이용된다. 하지만, 디스플레이과 같은 투명성을 요구하는 곳에서는 투명하면서도 전기를 통하게 하는 소재가 필요한데, 대표적인 반도성세라믹 소재라고 할 수 있는 산화인듐과 산화주석의 발견으로 말미암아 디스플레이가 구현할 수 있게 되었다. 이러한 반도성 세라믹 소재를 단순한 투명전극이 아니라 스위치 역할을 하는 트랜지스터(Thin Film Transistor: TFT)로 응용하고자 하는 연구가 2002년 일본의 동경공대의 호소노 교수에 의하여 처음으로 발표되었다.
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더 자세한 내용은 세라믹코리아 3월호 참조