과학에 관심 있는 사람이라면 누구나 자유롭게 참여할 수 있는 ‘금요일에 과학터치’ 이번 3월호에는 지난 1월 30일에 강연된 서강대학교 물리학과 이성익 교수의 ‘영하 200도에서 일어나는 일들 - 새로운 초전도체를 찾아서’와 같은 달 16일 부산에서 발표된 삼성종합기술원 김언정 박사의 ‘탄소나노튜브(Carbon Nanotube) 전자소자 기술’을 소개한다.   - 편집주 -

◈◈◈ 연구배경
초전도는 전기저항이 사라지는 물질이다. 초전도체가 왜 많은 사람의 관심을 끌게 되었을까? 그것은 초전도체가 가지는 무궁무진한 응용에서 비롯된다.
예를 들어 의학 분야에서는 초전도 자기공명현상(Magnetic Resonance Imaging : MRI)을 이용하면 뇌의 내부에 상처를 입히지 않고서도 뇌를 밖에서 볼 수 있다. 초전도체를 사용하면 뇌뿐 아니라 신체의 어느 부분을 관찰하는데 우리 몸에 해로운 X-선 장비를 사용하지 않아도 된다.
또한, 초전도 기차를 타고 서울 도심에서 출발하면 부산까지 40분 만에 도착할 수 있다. 교통의 혁명을 이루어 낼 수 있다. 전기 또한 유용하게 쓸 수가 있는데 우리가 집에서 쓰는 전기의 양은 발전소에서 보낸 전기보다 매우 적다. 이때 초전도를 이용하면 저항이 없어서 엄청난 양의 전기 손실을 막을 수 있다.
초전도체를 응용하면, 서울 시내에서 사용하는 모든 전류를 지름 5cm의 초전도 전선에 실어 운반할 수 있고, 미래 에너지원인 핵융합 반응에도 이용할 수 있다. 또한, 지금보다 1000배 이상 빠른 컴퓨터를 만들어 낼 수 있다. 그뿐 아니라 인류가 만들어 낸 어떠한 감지기보다도 감도가 좋은 매우 작은 전기 신호를 알아낼 수 있다.
초전도를 이용한 통신이 첩보전에 쓰인다는 것은 매우 흥미롭다. 초전도를 응용한 전파는 직진의 성질이 강하여 전리층 위에서만 통신할 수 있기에 지상에서 염탐할 수 없기 때문이다.
위와 같은 일이 이루어지려면 초전도체가 필요한데, 높은 온도에서 값싸게 쓰일 수 있는 초전도체를 어떻게 만들 수 있는가 하는 것이 인류가 풀어야 할 문제이다.
 
◈◈◈ 강연내용
인류의 역사를 바꾸게 될 초전도체란 저항 없이 전류를 흘릴 수 있는 물질이다. 왜 그럴까? 그것은 초전도체가 가지는 무궁무진한 응용성에 기인한다. 예를 들어 의학적 응용에서는 자기공명현상(Magnetic Resonance Imaging : MRI)을 이용하여 뇌의 내부구조를 알아내는데 초전도자석이 쓰여 왔다. MRI는 뇌의 내부를 직접 관찰하거나 X-선을 사용하지 않으므로 뇌의 내부에 상처를 입히지 않아도 된다.
초전도는 의학에서뿐만 아니라 우리들의 모든 실생활에서도 응용될 수 있다. 예를 들어, 초전도체는 핵융합 반응을 이용한 미래의 에너지원 제조에도 이용할 수 있다. 자세히 설명하면, 수소 폭탄을 천천히 터트릴 때 굉장히 큰 에너지가 나오는데, 이 에너지를 천천히 얻어내는 방법이 아직 개발되지 않고 있다.
만약 이 방법이 개발이 된다면 석탄과 석유가 고갈된 지구상에서 인류 문명은 생존할 수 있다. 초전도체는 서울시내에서 사용되는 모든 전류를 지름 5cm의 초전도 전선에 실어 운반할 수 있다.
또한, 초전도체는 대중교통수단에도 많은 변화를 가져올 것이다. 초전도 전자석을 이용한 현재의 자기부상열차는 시속 5백km까지 속도를 낼 수 있어 서울과 부산을 40분 만에 주파할 수 있고, 선박에서도 이를 이용하여 매우 빠른 속도로 운항할 수 있다. 그 밖의 응용으로는 고속소자, 자기장 및 전압 변화를 정밀하게 측정하는 센서, 열 발생이 없는 초고속 컴퓨터 등이 있다.
본 강연에서는 이러한 초전도 응용에 관한 여러 가지 예를 들었고 초전도가 발견이 되고 46년간 풀리지 않던 문제가 대학원생이던 슈리퍼와 스승 바딘의 만남으로 어떻게 해결되었는지의 에피소드를 들려 줬다. 본 교수가 대학원 박사 과정으로 있던 시기에 고온 초전도가 발견되었는데 그가 미국에서 어떻게 이 연구에 뛰어들게 되었는지, 그리고 이것에 열광하는 물리학자들의 모습이 어떤지 또한 이 교수가 한국에 돌아와서 수은계 초전도체 단일상을 세계 최초로 만들던 순간, 세계에서 처음으로 고온 고압장치를 이용한 단결정 제조법, 박막을 만들던 이야기, 그리고 세계적으로 연구 경쟁이 치열했던 그 순간들의 경험을 강연했다.

◈◈◈ 연구팀 및 연구 소개
서강대학교 물리학과의 이성익 교수 연구팀은 지난 10여 년 전 현 교육과학기술부가 지원하는 창의적 연구진흥 사업으로 ‘새로운 초전도 연구’를 수행하고 있다. 이 초전도 연구팀은 새로운 초전도 개발과 이해를 연구 주제로 삼아 강한 압력하에서 새로운 물질이 생성이 된다는 점에 창안하여 다수의 새로운 초전도체를 세계 최초로 제작하였다. 이러한 초전도체들이 미래 사회를 변화시킬 것이다. 지금도 이미 초전도 현상이 의료 분야, 정밀 기계 분야에서 세상을 상당히 변화시켜 놓았다. 앞으로도 초전도체가 얼마나 미래 사회를 변화시킬까? 이 질문에 대한 해답은 앞으로 우리가 어느 정도의 초전도 기술을 개발하느냐에 따라 달라질 수가 있을 것이다. 이 교수팀은 지구 내부와 같은 극한 환경을 만들면 탄소로 된 연필심이 다이아몬드가 된다는 아이디어를 이용, 고압, 고온에서 여러 종류의 초전도 시료를 독점적으로 제조하고 있어 세계를 앞서고 있다.

탄소나노튜브(Carbon Nanotube)
전자소자 기술

삼성종합기술원 김언정 박사

◈◈◈ 연구배경
지난 50년간 반도체 기술을 이끌어 왔던 Si 반도체는 ‘무어의 법칙’ (반도체 트랜지스터 수가 2년에 2배 또는 3년에 4배 증가)으로 잘 알려진 바와 같이 집적도와 성능이 지속적으로 발전해 왔다.
현재 수십 나노미터 (1 나노미터는 10억분의 일 미터, 머리카락 두께의 만~십만분의 일) 크기의 Si 반도체 소자가 제품화되고 있으며 컴퓨터 중앙처리장치(CPU)를 생산하는 미국 인텔사 경우 ‘08년 게이트 (트랜지스터의 소스, 드레인 양 전극 사이에 있는 제 3의 전극) 길이가 ~45 나노미터인 펜린 CPU 소자를 출시하고 있다. 한편, 삼성전자의 경우 작년 50나노 NAND 플래시 메모리에 이어 올 5월부터 42나노 NAND 생산을 착수해 세계 시장 점유율 40% 이상인 독보적 위상을 더욱 확고히 할 것으로 예상된다.
그러나 이러한 Si 기반의 반도체 미세화가 앞으로도 무한정 계속 되리라고 생각하기는 어렵다. 현재 장비와 기술로는 ~35나노미터 이하의 반도체를 대량 생산하는 것이 불가능하며 이를 해결하려면 값비싼 미세화 장비 개발과 함께 작은 크기에서도 안정된 특성을 보이는 반도체 개발이 필요하다.
이러한 미세화 어려움을 극복하려는 방법의 하나로서 기존에 작게 만드는 (미세화) 방법과 달리 원자 또는 분자 크기에서부터 출발하여 전자소자를 제작하는 새로운 기술들이 개발되고 있으며 Si 이외의 새로운 물질 탐색도 활발히 진행되고 있다.
탄소나노튜브 (Carbon Nanotube, CNT)는 약 17년 전 일본 기술자에 의해 중요성이 재조명된 新 나노물질로서 현재 디스플레이, 에너지 분야 응용뿐만 아니라 Si 반도체의 미세화 한계를 극복할 수 있는 대안으로서 그 중요성이 높아지고 있다. 탄소나노튜브는 직경이 1 나노미터 내외로서 Si 반도체 보다 전자가 쉽게 이동하며 (~100배), 전류 수송 능력 또한 매우 우수하다. (대표적인 전도체인 구리보다 ~1,000배) 그러나 무엇보다 중요한 것은 특별한 미세화 공정 없이 직경이 수 나노미터인 초미세 배선을 반도체에 활용할 수 있는 가능성이 있다는 것이다.
그러나 이렇게 우수한 물질 특성이 있는 탄소나노튜브가 실제 반도체 핵심 소재로 사용되기 위해서는 앞으로 해결해야 할 문제점도 적지 않다. 예를 들어 탄소나노튜브의 특성 (반도성, 금속성)을 쉽게 조절할 수 있어야 하며, 원하는 위치에 원하는 방향으로 정확히 형성시키는 기술이 필요하다. 또한, 무엇보다도 소자 특성 안정성(신뢰성) 확보가 가장 중요하다고 할 수 있다.
현재 전 세계적으로 IBM, Infineon, NEC, Fujitsu 등 유명 기업들이 탄소나노튜브 전자소자 개발에 앞장서고 있으며 국내 기업으로는 삼성종합기술원이 국내외 대학과 연계하여 트랜지스터, 메모리 개발 연구를 주도하고 있다.

◈◈◈ 연구팀 및 연구 소개
삼성종합기술원 (원장 임형규 박사)은 10여 년 전부터 탄소나노튜브의 중요성을 인식하고 국내외 대학 및 연구소와 함께 전자소자, 디스플레이, 에너지 등 다양한 응용 연구를 수행하여 왔다. 전자소자 연구는 2000년 7월, ‘21C 프론티어 사업’ ‘테라급 나노소자개발 사업’ (단장 이조원 박사)에 국내외 대학(서울대, 성균관대 협동기관 및 5개 위탁기관)과 함께 삼성종합기술원이 주관기관으로 참여하여 본격화하였고 현재 탄소나노튜브 트랜지스터와 메모리 연구를 진행하고 있다.
최근에는 한 가닥 탄소나노튜브가 아닌 박막 형태의 탄소나노튜브를 기존 (>700℃) 보다 낮은 550℃에서 제작, Si 기판이 아닌 투명한 유리기판 위에 제작함으로써 디스플레이 응용 가능성을 국내외에서 인정받은 바 있다.
또한, 탄소나노튜브 메모리 개발의 일환으로서 탄소나노튜브의 고유 성질인 양극성 (ambipolarity, 기존 Si는 +전하의 정공 개수가 훨씬 우세한 p-형 반도체와 그 반대 경우인 n-형 반도체로 구분되는 반면 탄소나노튜브는 2개 전하이동자를 동시 보유)을 이용함으로써 별도의 n-형 / p-형 반도체 제작 공정을 거치지 않고 Inverter 등 논리 소자에 적용하는 연구를 수행중이다. 
향후 삼성종합기술원을 중심으로 한 ‘테라급 나노소자개발 사업’, ‘탄소나노튜브 전자소자 개발’ 과제에서는 지금까지의 개발 성과를 발판으로 양질의 탄소나노튜브와 이를 이용한 논리 및 메모리 소자를 단계적으로 개발할 예정이며 이를 통해 Si 반도체에 이어 고성능, 고집적 반도체 개발의 지속적 개발 가능성을 확보할 계획이다.

출처 : 금요일에 과학터치 (www.sciencetouch.net)

유리기판 위에 제작한 탄소나노튜브 트랜지스터 소자 패턴 (좌)과 전극 사이 탄소나노튜브 박막의 전자 현미경 사진(우)