스탠퍼드 돌파구: 100nm 원자 두께 트랜지스터로 플렉시블 전자공학 앞당겨

초박막 유연 컴퓨터 회로는 수년간 엔지니어링 목표였지만, 기술적 난제로 고성능에 필요한 소형화 달성이 어려웠습니다. 이제 스탠퍼드 대학교 연구자들이 100나노미터 미만 길이의 유연하고 원자 두께 트랜지스터를 생산하는 제조 기술을 발명했습니다. 이는 이전보다 몇 배 더 작은 크기입니다.

연구자들에 따르면 이 진전으로 소위 '플렉스트로닉스(flextronics)'가 현실에 한 발 더 다가섰습니다. 유연 전자공학은 구부리고 모양 바꿀 수 있으면서 에너지 효율적인 컴퓨터 회로를 약속하며, 인체 착용 또는 이식돼 다양한 건강 관련 작업을 수행할 수 있습니다. 게다가 거의 모든 기기가 통합·상호연결되는 다가올 '사물인터넷' 역시 플렉스트로닉스 혜택을 볼 것입니다.

유연 전자공학에 적합한 소재 중 이차원(2D) 반도체는 나노스케일에서도 우수한 기계적·전기적 특성을 보여 기존 실리콘이나 유기 소재보다 나은 후보입니다.

지금까지 공학적 난제는 이 거의 불가능하게 얇은 소자 형성이 유연 플라스틱 기판엔 너무 열집약적인 공정을 요구한다는 점이었습니다. 이 소재들은 생산 공정에서 단순히 녹아 분해됩니다.

연구자들의 해법은 단계적으로 하는 것입니다. 유연하지 않은 베이스 기판에서 시작합니다. 유리 코팅된 단단한 실리콘 슬래브 위에 이황화 몰리브덴(MoS₂) 원자 두께 박막을 형성하고, 그 위에 나노패턴 금 전극을 얹습니다. 이 단계가 통상 실리콘 기판에서 수행되므로, 기존 첨단 패터닝 기술로 나노스케일 트랜지스터 치수를 패터닝할 수 있어 유연 플라스틱 기판에서는 불가능한 해상도를 달성합니다.

이 적층 기술인 화학기상증착(CVD)은 MoS₂ 막을 한 번에 한 원자 층씩 성장시킵니다. 결과 막은 단 세 원자 두께지만 작동하려면 850°C(1500°F 이상) 온도가 필요합니다. 반면 유연 기판(폴리이미드, 얇은 플라스틱)은 360°C(680°F)쯤에서 모양을 잃고 더 높은 온도에서 완전히 분해됩니다.

이 중요한 부품들을 단단한 실리콘에서 먼저 패터닝·형성하고 식힌 뒤, 스탠퍼드 연구자들은 손상 없이 유연 소재를 적용할 수 있습니다. 단순 탈염수 욕조로 전체 장치 스택이 박리돼 이제 유연 폴리이미드로 완전히 전사됩니다.

몇 가지 추가 제조 단계 후, 이전 원자 두께 반도체로 만든 것보다 몇 배 더 나은 성능의 유연 트랜지스터가 탄생합니다. 연구자들은 전체 회로를 만들어 유연 소재로 전사할 수도 있지만, 후속 층 특정 복잡성 때문에 전사 후 추가 단계를 수행하는 게 더 쉽다고 말했습니다.

"결국 전체 구조 두께는 유연 폴리이미드 포함 5미크론에 불과합니다."라고 에릭 팝(Eric Pop) 교수가 말했습니다. "이는 사람 머리카락보다 약 10배 얇습니다."

나노스케일 트랜지스터를 유연 소재에 생산한 기술적 성취 자체도 주목할 만하지만, 연구자들은 장치들을 '고성능'이라 설명했습니다. 이 문맥에서 고성능은 저전압에서 고전류를 처리할 수 있어 저전력 소모에 부합한다는 뜻입니다.

"이 소형화에는 여러 이점이 있습니다." 다우스(Daus) 박사 말. "주어진 면적에 더 많은 트랜지스터를 집적할 수 있을 뿐 아니라, 저전압에서 고전류가 가능해 고속·저전력 소모를 실현합니다."

한편 금속 접점이 트랜지스터 작동 중 발생하는 열을 방출·분산해, 유연 폴리이미드를 위협할 수 있는 열을 완화합니다.

프로토타입과 특허 출원 완료 후 다우스와 팝은 장치 개선이라는 다음 과제로 옮겼습니다. 두 가지 다른 원자 두께 반도체(MoSe₂, WSe₂)로 유사 트랜지스터를 제작해 기술 광범위 적용 가능성을 입증했습니다.

한편 다우스는 무선 회로를 장치와 통합하는 방안을 모색 중입니다. 향후 변형이 인체 이식이나 사물인터넷 깊숙이 통합된 기기들과 무선 통신할 수 있게 돼 플렉스트로닉스 실용화에 또 다른 큰 도약이 될 것입니다.

"이것은 단순한 유망 생산 기술 이상입니다. 유연성, 밀도, 고성능, 저전력을 동시에 달성했습니다." 팡 교수 말. "이 연구가 여러 수준에서 기술을 앞당기길 바랍니다."