박막 전자공학으로 유연한 칩 설계 자유도 개방

실리콘 반도체의 한계와 박막 트랜지스터(TFT) 기술의 대안

실리콘 반도체는 최근 칩 부족 위기가 보여주듯 컴퓨터 시대의 '석유'가 되었습니다. 그러나 기존 실리콘 칩의 단점 중 하나는 기계적으로 유연하지 않다는 것입니다. 반면 유연 전자공학 분야는 대체 반도체 기술인 박막 트랜지스터(TFT)에 의해 주도됩니다. TFT가 사용될 수 있는 애플리케이션은 무궁무진합니다: 착용형 헬스케어 패치와 뉴로프로브, 디지털 마이크로플루이딕스와 로봇 인터페이스, 구부릴 수 있는 디스플레이와 사물인터넷(IoT) 전자장치까지.

파운드리 비즈니스 모델로 TFT 칩 설계 자유도 확대

TFT 기술은 잘 발전해왔지만, 기존 반도체 기술과 달리 다양한 애플리케이션에 활용할 잠재력이 거의 개발되지 않았습니다. 사실 TFT는 현재 주로 스마트폰, 노트북, 스마트 TV 디스플레이에 통합하기 위해 픽셀을 개별 제어하는 목적으로 대량 생산됩니다. 이는 TFT 기반 유연 마이크로칩으로 혁신적 애플리케이션을 구상하는 칩 설계자들의 자유를 제한합니다. "이 분야는 기존 칩 산업과 유사한 파운드리 비즈니스 모델로부터 엄청난 혜택을 볼 수 있습니다."라고 KU 루벤 이머징 테크놀로지, 시스템 및 보안 유닛(디펜베크) 교수이자 인터유니버시티 마이크로일렉트로닉스 센터(imec) 객원교수인 크리스 미니는 말했습니다.

기존 칩 산업의 파운드리 모델

전 세계 마이크로칩 시장의 중심에는 소위 파운드리 모델이 있습니다. 이 비즈니스 모델에서 대형 반도체 제조 공장(파운드리)은 실리콘 웨이퍼 위 칩 대량 생산에 집중합니다. 이들은 파운드리의 고객들, 즉 칩을 설계하고 주문하는 회사들이 특정 애플리케이션에 통합할 수 있도록 사용됩니다. 이 비즈니스 모델 덕분에 이 회사들은 복잡한 반도체 제조에 접근해 필요한 칩을 설계할 수 있습니다.

미니 그룹, 박막 전자공학에도 파운드리 모델 실증

미니 그룹은 그런 비즈니스 모델이 박막 전자공학 분야에서도 실행 가능함을 보였습니다. 그들은 특정 TFT 기반 마이크로프로세서를 설계해 두 파운드리에서 생산한 후 연구실에서 성공적으로 테스트했습니다. 같은 칩이 두 버전으로 생산되었는데, 둘 다 주류인 두 가지 별도 TFT 기술(서로 다른 기판 사용) 기반이었습니다. 그들의 연구 논문은 Nature에 발표되었습니다.

아이코닉한 MOS 6502 마이크로프로세서 구현

미니와 동료들이 만든 마이크로프로세서는 상징적인 MOS 6502입니다. 오늘날 이 칩은 '박물관 조각'이지만 70년대에는 최초의 애플, 코모도어, 닌텐도 컴퓨터를 구동한 드라이버였습니다. 그룹은 웨이퍼 위(비정질 인듐-갈륨-아연-산화물 사용)와 플레이트 위(저온 다결정 실리콘 사용)에서 6502 칩을 개발했습니다. 두 경우 모두 칩들은 다른 칩들(프로젝트들)과 함께 기판 위에 제조되었습니다. 이 멀티프로젝트 접근법은 파운드리가 설계자들로부터 주문받은 다양한 칩을 단일 기판에서 온디맨드로 생산할 수 있게 합니다.

초박형 칩으로 의료용 착용형 패치 등 적용 기대

미니 그룹이 만든 칩은 30마이크로미터 미만 두께로 사람 머리카락보다 얇습니다. 이는 예를 들어 착용형 패치 같은 의료 애플리케이션에 이상적입니다. 그런 초박형 착용형 기기로 심전도나 근전도를 만들어 심장과 근육 상태를 연구할 수 있습니다. 실리콘 기반 칩이 있는 패치는 항상 울퉁불퉁하게 느껴지는 반면, 이건 그냥 스티커처럼 느껴질 것입니다.

6502 마이크로프로세서 성능은 현대 것들과 비교할 수 없지만, 이 연구는 유연 칩이 기존 칩 산업에서 일어나는 방식과 유사한 멀티프로젝트 접근법으로 설계되고 생산될 수 있음을 입증합니다. 미니는 결론짓습니다: "우리는 실리콘 기반 칩과 경쟁하지 않을 겁니다. 유연 박막 전자공학 기반 혁신을 자극하고 가속화하고 싶습니다."

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