NEMS – NanoElectroMechanical Systems | 간단한 개요

NEMS(NanoElectroMechanical System의 약자)는 100나노미터 이하의 나노 스케일에서 전기적 및 기계적 기능을 통합하는 장치입니다.

일반적으로 1~100나노미터 크기의 부품을 취급하는 MEMS(MicroElectroMechanical System)에 이은 첨단 소형화 수준입니다.

NEMS에는 몇 가지 매력적인 속성이 있습니다. 마이크로파 범위의 기본 주파수, 아토뉴턴 수준의 힘 감도, 요토칼로리보다 훨씬 낮은 열용량, 펨토그램 범위의 활성 질량, 개별 분자 수준의 질량 감도에 대한 액세스를 제공할 수 있습니다. 목록은 계속됩니다.

NEMS는 주로 액추에이터, 센서, 공진기, 빔, 센서 및 모터와 같은 장치를 포함합니다. 이러한 구성 요소는 한 형태의 에너지를 다른 형태로 변환하여 쉽게 측정하고 활용할 수 있습니다.

NEMS의 초기 예

최초의 NEMS는 1960년 Bell Labs의 Dawon Kahng과 Mohamed M. Atalla에 의해 구축되었습니다. 이것은 게이트 산화물 두께가 100nm인 MOSFET(금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터)였습니다.

2년 후, 그들은 10nm 두께의 금막을 포함하는 나노층-비금속-반도체 접합 트랜지스터를 성공적으로 제작했습니다. 그러나 10nm 게이트 산화물을 사용한 최초의 MOSFET은 1987년이 되어서야 나왔습니다.

본체(B), 소스(S), 게이트(G) 및 드레인(D) 단자를 보여주는 MOSFET의 그림.

1989년 다중 게이트 MOSFET의 발명으로 Intel, IBM, AMD, Samsung Electronics를 비롯한 여러 회사에서 더 작은 마이크로프로세서와 메모리 셀을 만들 수 있었습니다.

VLSI(Very Large Scale Integration) 프로세스를 통해 수백만 개의 MOS 트랜지스터를 단일 칩에 결합할 수 있었습니다. 이러한 집적회로는 1970년대에 널리 채택되어 복잡한 반도체와 통신 기술이 개발될 수 있었습니다.

CPU, GPU, RAM, ROM 및 기타 글루 로직은 모두 VLSI 장치입니다. VLSI 프로세스가 발명되기 전에는 대부분의 집적 회로가 제한된 수의 작업만 수행할 수 있었습니다.

백만 개 이상의 트랜지스터가 있는 80486 마이크로프로세서(1990년대부터)

MOSFET은 이제 현대 전자 제품의 기본 빌딩 블록으로 간주됩니다. 1960년대부터 트랜지스터 밀도를 높이고 성능을 개선하며 집적 회로의 전력 소비를 줄이는 데 주된 역할을 했습니다.

MOSFET은 또한 역사상 가장 많이 제조된 장치 중 하나입니다. 2018년 기준으로 약 1360억개(또는 1300조개)의 MOSFET이 제조되었습니다.

NEMS 장치는 어떻게 제조됩니까?

NEMS는 두 가지 보완적인 접근 방식을 사용하여 제작할 수 있습니다.

하향식 접근 방식: 전자 또는 광학 빔 리소그래피 및 열처리와 같은 기존 미세 가공 기술을 사용하여 장치를 만듭니다. 결과 구조를 더 잘 제어할 수 있지만 사용 중인 기술의 해상도에 따라 제한됩니다.

이 접근 방식에서 출발 물질은 실리콘 결정과 같은 비교적 큰 구조입니다. 일반적으로 에칭된 반도체 층 또는 금속 박막은 나노로드, 나노와이어 및 패턴화된 나노구조와 같은 NEMS 장치를 제조하는 데 사용됩니다.

어떤 경우에는 큰 물질을 나노미터 규모로 분쇄하여 표면적 대 부피 비율을 증가시켜 궁극적으로 나노 물질의 반응성을 향상시킵니다. 아크 오븐에서 흑연을 사용하여 탄소 나노튜브를 제조하는 공정은 하향식 접근 방식의 완벽한 예입니다.

상향식 접근 방식: 분자의 화학적 특성을 사용하여 원하는 형태로 분자를 구성하거나 조립합니다. 이러한 접근 방식은 분자 인식(두 개 이상의 분자 간의 특정 상호 작용) 또는 분자 자가 조립(외부 방향 없음)의 개념에 의존합니다.

제조 프로세스에 대한 제한된 제어를 제공하지만 하향식 접근 방식에 비해 많은 재료를 낭비하지 않고 훨씬 더 작은 구조를 만들 수 있습니다.

상향식 접근 방식은 자연에서도 찾을 수 있습니다. 예를 들어, 생물학적 시스템은 생명에 필요한 세포 구조를 생성하기 위해 화학적 힘을 이용합니다. 연구자들은 자연의 이러한 행동을 모방하여 유용한 구조로 자가 조립될 수 있는 특정 원자의 클러스터를 만들려고 합니다.

이러한 접근 방식의 좋은 예는 금속 촉매 중합 기술을 사용하여 탄소 나노튜브를 제조하는 것입니다.

NEMS 제작에 사용되는 재료

1. 폴리디메틸실록산

폴리디메틸실록산은 가장 많이 사용되는 실리콘계 유기 고분자입니다. 이 실리콘 엘라스토머는 독특한 특성으로 유명합니다. 열적으로 안정적이고 화학적으로 불활성이며 기계적으로 구성 가능하고 광학적으로 투명하며 일반적으로 무독성, 불활성 및 불연성입니다.

실리콘과 긴밀한 밀봉을 형성할 수 있으므로 NEMS에 통합되어 전기적 및 기계적 특성을 모두 구성할 수 있습니다. 폴리디메틸실록산의 접착력은 다양한 습한 환경에서 더 잘 수행되며 실리콘에 비해 마찰 계수가 더 낮습니다.

폴리디메틸실록산의 낮은 마찰 계수와 소수성은 NEMS 연구에 통합하기에 완벽한 재료입니다. 또한 시간 효율적이고 저렴한 제조로 인해 NEMS 기술에서도 주목을 받고 있습니다.

연구에 따르면 빛, 열 및 방사선에서 폴리디메틸실록산의 분해 속도는 적절한 포장과 우수한 노화 안정성으로 느려질 수 있습니다.

2. 탄소 기반 재료

단층 탄소 나노튜브의 주사 터널링 현미경 사진 | 크레딧:NIST

탄소 동소체, 특히 그래핀과 탄소 나노튜브는 NEMS 기술에서 널리 사용됩니다. 그들의 특성은 NEMS의 요구 사항을 직접 충족합니다. 예를 들어, 탄소 동소체의 반도체 및 금속 전도도는 트랜지스터로 작동할 수 있게 합니다.

탄소 동소체의 기계적 이점 외에도 그래핀과 탄소 나노튜브의 전기적 특성으로 인해 NEMS의 여러 구성 요소에 사용할 수 있습니다. 그래핀과 탄소 나노튜브의 물리적 강도는 더 높은 응력 요구 사항을 충족합니다. 따라서 NEMS 기술 개발에 주로 사용됩니다.

그래핀 NEMS는 질량 및 힘 센서로 작동할 수 있지만 탄소 나노튜브 NEMS는 나노모터(피코뉴턴 정도의 힘을 생성함), 스위치 및 고주파 발진기에 널리 활용되었습니다.

3. 생물학적 기계

암과 싸우는 나노로봇의 그림

미오신(근육 수축을 처리)과 같은 생물학적 기계는 일반적으로 다중 단백질 복합체의 형태로 세포 내에서 발견되는 가장 복잡한 거대 분자 기계입니다.

그들 중 일부는 에너지 생산을 담당하고 일부는 유전자 발현을 담당합니다. 나노의학에서 중요한 역할을 할 수 있습니다. 예를 들어, 종양 세포를 탐지하고 파괴하는 데 사용할 수 있습니다.

분자 나노기술은 원자 규모에서 물질을 재배열할 수 있는 생물학적 기계 공학의 가능성을 탐구하는 나노기술의 새로운 분야입니다. BioNEMS는 생물의학/로봇 응용을 위한 생물학적 및 합성 구조 요소(나노 규모)를 포함합니다. 예를 들어, 나노 로봇은 감염을 식별하고 복구하기 위해 신체에 주입될 수 있습니다.

나노로봇 및 분자 어셈블러와 같이 제안된 BioNEMS 요소는 현재 기능을 훨씬 능가하지만 여러 연구에서 미래 응용 분야에 대한 유망한 결과를 산출했습니다.

읽기:프로그래밍된 DNA 나노로봇은 종양을 감소시킬 수 있습니다.

응용 프로그램

NEMS는 현재 마이크로스케일 기술로는 실현할 수 없는 방식으로 생명과학을 엔지니어링과 결합하는 활성화 기술의 역할을 합니다. 다양한 산업 분야에 상당한 영향을 미칠 것입니다.

반도체 산업: 가장 널리 사용되는 반도체 소자는 MOSFET이다. 전체 트랜지스터의 99.9%를 차지합니다. CPU 또는 DRAM 장치의 트랜지스터 게이트 길이를 고려할 때 집적 회로의 임계 길이 스케일은 이미 50나노미터 미만입니다. 최근 실리콘 MOSFET은 10nm 및 7nm 공정을 사용하는 핀 전계 효과 트랜지스터를 기반으로 합니다.

자동차: 나노시트, 나노섬유 나노튜브, 나노와이어 및 나노로드와 같은 나노물질은 자동차 분야에서 여러 이점을 제공합니다. 예를 들어, 나노 첨가제는 마모 저항, 구름 저항 및 젖은 트랙션뿐만 아니라 타이어의 수명을 크게 향상시킬 수 있습니다. NEMS는 미래 세대의 수소 동력 자동차의 연료 전지 성능을 향상시키는 핵심이기도 합니다.

커뮤니케이션: 고유한 기계적 특성(고공진 주파수 및 고주파수 조정 가능)으로 인해 그래핀 공진기를 포함한 NEMS 공진기는 미래의 초고속 통신 시스템을 위한 유망한 기반을 제공합니다. 그러나 이 분야의 대부분의 발전은 현재 이론적 모델, 시뮬레이션 및 실험실 실험에 국한되어 있습니다.

압전 NEMS 공진기용 그래핀 전극 | 이미지 제공:노스이스턴 대학교

의료 부문: NEMS 센서는 수분 수준, 포도당 수준, 다양한 단백질 및 이온의 존재와 같은 환자의 데이터를 감지하고 모니터링합니다. 이러한 센서는 인간 알부민에서 베타-2-마이크로글로불린에 이르는 특정 단백질을 식별하도록 구성할 수 있습니다. 모니터링 외에도 다양한 크기의 세포를 분리하여 미세 유체 시스템에서 막힘을 방지할 수 있습니다.

에너지 저장 및 생산: 나노기술은 리튬 이온 배터리의 수명과 성능을 향상시킬 큰 가능성을 가지고 있습니다. 또한 전력 밀도를 높이고 충전 시간을 단축하며 무게와 크기를 줄이는 동시에 배터리의 안정성과 안전성을 향상시킬 수 있습니다.

또한 갈바닉 또는 연료 전지와 같은 나노 크기의 전기 화학 장치를 사용하여 에너지를 생산하는 연구가 진행 중입니다. 생체의 혈당에서 전력을 끌어오는 바이오 나노 발생기입니다(몸이 음식에서 에너지를 생성하는 것과 같은 방식으로).

또한 기존의 평면 실리콘 태양 전지로 가능한 것보다 더 효율적이고 저렴한 태양 전지를 개발하기 위한 목적으로 여러 나노구조 재료, 특히 나노와이어에 대한 연구가 있습니다.

세계 시장과 미래

NEMS 장치에 대한 현재 시장은 초기 단계에 있습니다. 나노 핀셋, 나노 공진기, 자이로스코프, 나노 센서, 나노 로봇, 나노 핀셋 및 기타 작은 구성 요소로 분류됩니다.

높은 공진 주파수, 낮은 에너지 소비, 단일 칩의 다중 주파수, 집적 회로의 크기 및 비용 절감과 같은 NEMS 이점으로 인해 향후 몇 년 동안 강력한 성장이 예상됩니다.

읽기:MEMS(MicroElectroMechanical System)란 무엇인가요? 유형 및 적용

나노소재 및 나노기술 분야의 연구개발이 진행되고 있습니다. 보고서에 따르면 전 세계 NEMS 시장은 CAGR 29%로 성장할 것으로 예상됩니다. 북미가 시장을 주도하면서 2022년까지 1억 888만 달러에 이를 것입니다.

자주 묻는 질문

MEMS와 NEMS의 차이점은 무엇입니까?

MEMS(Microelectromechanical systems)는 크기 범위가 1μm에서 100μm인 구성 요소로 구성됩니다. MEMS 장치는 일반적으로 마이크로프로세서와 같은 중앙 처리 장치와 주변 환경과 상호 작용하는 여러 구성 요소(마이크로 센서와 같은)를 포함합니다.

반면에 NEMS(Nanoelectromechanical Systems)는 MEMS의 다음 논리적 소형화 단계입니다. 이 장치는 1~100nm 사이의 나노 스케일에서 기계적 및 전기적 기능을 통합합니다.