내일을 바꿀 12가지 최첨단 전자 기술

새로운 기술의 시대

이름에서 알 수 있듯이 신기술은 개발과 실용적 응용이 아직 널리 실현되지 않은 기술을 말합니다. 로봇공학, 인공지능, 인지과학, 나노기술 등 다양한 분야에서 점진적인 발전을 나타냅니다.

특히 전자공학은 신호 처리, 정보 처리, 통신에서 중요한 역할을 합니다. 센서, 다이오드, 트랜지스터, 집적회로 같은 부품이 포함된 전기 회로를 다룹니다. 간단히 말해 현대 노트북과 스마트폰 같은 복잡한 전자 기기와 시스템을 포괄합니다.

첫 번째 트랜지스터가 1947년 발명된 이후 우리는 먼 길을 걸어왔습니다. 오늘날 여러분이 사용하는 스마트폰만 해도 10억 개 이상의 트랜지스터를 포함하고 있습니다.

이것은 시작에 불과합니다. 아직 발명되지 않은 혁신적인 기기들이 많이 있습니다. 미래가 전자 분야에서 무엇을 가져올지 살펴보겠습니다.

12. 디지털 향기 기술

CEATEC 2016에서 선보인 아로마 슈터

기기(또는 전자 코)가 오디오, 비디오, 웹 페이지 같은 향기 지원 미디어를 감지, 전송, 수신할 수 있게 하는 후각 기술 분야에서 많은 연구가 진행되어 왔습니다.

첫 번째 향기 방출 시스템인 스멜오비전(Smell-O-Vision)은 1950년대 후반에 발명되었습니다. 영화 상영 중 향기를 방출해 관객의 경험을 향상시킬 수 있었습니다.

그 이후 많은 연구시설에서 유사한 장치를 개발했습니다. 그중 1999년에 개발된 아이스멜(iSmell)은 128가지 향기 카트리지로 다양한 혼합 향을 생성할 수 있었습니다. 하지만 특정 한계로 인해 상용화되지 못했습니다.

CEATEC 2016에서 한 회사가 스마트폰과 PC로 제어할 수 있는 착용형 향기 장치를 선보였습니다. 여전히 향기의 타이밍과 분배, 합성 향기의 건강 위험 등 극복해야 할 과제가 많습니다.

11. 열전 구리 필러 범프

단일 기판에 통합된 전기 및 열 범프

열전 구리 필러 범프는 레이저 다이오드, 반도체 광증폭기, CPU, GPU 같은 전자 및 광전자 패키징에 사용되는 마이크로 크기의 열전 소자입니다.

넥스트림 서멀 솔루션즈(Nextreme Thermal Solutions)는 칩 레벨에서 능동적 열 관리 기능을 통합하기 위해 이 기술을 개발했습니다. 이 방식은 현재 인텔(Intel)과 앰코(Amkor) 같은 기술 대기업에서 마이크로프로세서와 기타 첨단 칩을 다양한 표면에 연결하는 데 사용됩니다.

전류가 회로 기판을 통과할 때 열 범프가 열을 끌어당겨 다른 범프로 전달합니다. 이 과정을 펠티에 효과(Peltier effect)라고 하며, 이것이 열 범프가 전자 회로의 열을 줄이는 방식입니다.

고체 열펌프 역할을 하며 칩 표면에 열 관리 기능을 추가합니다. 현재 열 범프는 높이 약 20μm, 너비(직경) 238μm입니다. 차세대 기술은 열 범프 높이를 10μm로 낮출 것입니다.

10. 이황화 몰리브덴

이황화 몰리브덴 (MoS₂)

이황화 몰리브덴은 낮은 마찰과 견고함 때문에 전자 분야에서 건식 윤활제로 널리 쓰이는 무기 화합물입니다. 실리콘처럼 반자성, 간접 밴드갭 반도체이며 밴드갭은 1.23eV입니다.

입자 크기 1~100마이크로미터 범위에서 흔히 쓰이는 건식 윤활제입니다. 효율적인 트랜지스터, 포토디텍터, 2행정 엔진, 유니버설 조인트 생산에 자주 사용됩니다.

2017년에는 2차원 이황화 몰리브덴으로 115개 트랜지스터를 가진 1비트 마이크로프로세서가 제작되었습니다. 3단자 멤트랜지스터를 만드는 데도 활용되었습니다. 향후 몇 년간 이 화합물이 모든 종류의 전자 기기의 근간이 될 수 있습니다.

9. 전자 섬유(E-Textiles)

전자 섬유(또는 스마트 의류)는 디지털 구성 요소와 전자 장치가 내장된 직물로 착용자에게 부가 가치를 제공합니다. 인테리어 디자인 기술처럼 전자 장치를 직물에 통합하는 다양한 응용이 있습니다.

이 기술은 일반 직물이 할 수 없는 여러 가지, 즉 에너지 전도, 통신, 변형, 성장 등을 할 수 있어 혁신적이라고 여겨집니다.

스마트 의류의 미래 응용 분야로는 건강 모니터링, 군인 추적, 조종사 모니터링 등이 개발될 수 있습니다. 개인용 휴대용 생리 모니터링, 통신, 난방, 조명 등 모두 이 기술의 혜택을 볼 수 있습니다.

8. 스핀트로닉스(Spintronics)

스핀트로닉스(스핀 전자공학)는 고체물리학에서 전자의 고유 스핀과 관련된 자기 모멘트를 말합니다. 기존 전자공학과 크게 다릅니다: 전하 상태뿐만 아니라 전자 스핀을 이용해 자유도를 높입니다.

스핀트로닉 시스템은 데이터 저장과 전송에 효율적으로 사용될 수 있습니다. 이 장치는 뉴로모픽 컴퓨팅과 양자 컴퓨팅 분야에서 특히 주목받고 있습니다.

의료 분야(암 식별)에도 활용되고 있으며 디지털 전자공학에 큰 가능성을 약속합니다.

7. 나노전기기계시스템(NEMS)

단결정 실리콘으로 제작된 나노전기기계시스템의 전자 현미경 사진 | 출처: H. G. Craighead

나노전기기계시스템은 나노 크기 전자 소자와 기계적 기계를 통합해 물리·화학 센서를 만듭니다. 소위 마이크로전기기계시스템(MEMS)에서 다음 논리적 소형화 단계입니다.

초고주파 공진기부터 화학·생물 센서까지 다양한 응용 길을 여는 놀라운 특성을 가집니다. 나노전기기계시스템의 몇 가지 핵심 특성은 다음과 같습니다.

• 마이크로파 대역의 기본 주파수
• 펨토그램 범위의 유효 질량
• 아토그램 및 서브아토그램 수준의 질량 감도
• 아토뉴턴 수준의 힘 감도
• 10aW 수준의 전력 소비
• 제곱센티미터당 1조 개 소자에 이르는 극도로 높은 집적도

참고: NEMS – 나노전기기계시스템 | 간단 개요

6. 분자 전자공학

단일 분자 소자의 일러스트

이름 그대로 분자 전자공학은 분자를 전자 회로의 주요 구성 요소로 사용합니다. 재료과학, 화학, 물리학을 아우르는 학제간 분야입니다.

이 기술은 실리콘 같은 기존 반도체로는 현재 가능한 것보다 훨씬 더 작은 나노스케일 전자 회로 개발을 가능하게 합니다. 이런 소자에서 전자 운동은 양자역학에 의해 지배됩니다.

분자 크기 요소만으로 구성된 전체 회로가 실현되려면 아직 멀었지만, 더 많은 컴퓨팅 파워에 대한 수요 증가와 현재 리소그래피 기술의 한계로 인해 전환은 불가피해 보입니다.

과학자들은 현재 분자 세그먼트와 전극의 본체 물질 사이에 재현 가능하고 신뢰할 수 있는 접촉을 달성하기 위해 흥미로운 특성을 가진 분자들을 연구하고 있습니다.

5. 전자 코(Electronic Nose)

전자 코는 냄새의 특정 성분을 식별하고 화학적 구성을 분석합니다. 전자 센서 어레이와 패턴 인식을 위한 인공지능 도구를 포함한 화학 검출 메커니즘을 갖습니다.

이런 장치는 20년 넘게 존재해 왔지만 일반적으로 비싸고 부피가 컸습니다. 연구자들은 이 장치를 더 저렴하고 작으며 민감하게 만들려고 노력 중입니다.

전자 코 기기는 연구시설, 생산 부서, 품질관리 실험실에서 오염, 변질, 혼입 검출 등 다양한 목적으로 사용됩니다. 의료 진단, 가스 누출 및 오염물질 탐지를 통한 환경 보호에도 활용됩니다.

참고: 구리와 그래핀 산화물로 구축된 가장 강력한 바이오센서 시스템

4. 3D 생체인식

생체정보 사용이 해마다 증가하고 있으며, 특히 은행, 법의학, 공공 보안 관련 분야에서 두드러집니다. 대부분의 생체인식은 2차원 이미지를 사용합니다.

하지만 최근 몇 년간 몇 가지 첨단 생체인식 기술이 개발되었습니다. 3D 지문, 3D 손바닥, 3D 귀, 3D 얼굴 인식 기술이 포함됩니다.

인간-컴퓨터 상호작용이든 보안 강화든 견고한 생체인식의 광범위한 응용이 있을 것입니다.

3. 전자 피부와 전자 혀

와인 시음 전자 혀 | 출처: Kenny McMahon / 워싱턴 주립대

동물이나 인간 피부의 특성을 모방하는 신축성, 유연성, 자기치유 소재를 전자 피부라고 합니다. 압력과 열 변화에 반응하며 물리적 상호작용을 통해 정보를 측정할 수 있는 다양한 소재가 있습니다.

이 소재들은 보철, 소프트 로보틱스, 건강 모니터링, 인공지능 등 유용한 응용 분야에 새로운 문을 열 수 있습니다. 미래의 전자 피부 설계에는 높은 기계적 강도, 향상된 감지 능력, 재활용성, 자기치유 특성을 가진 소재가 포함될 것입니다.

반면 전자 혀는 맛을 측정하고 비교합니다. 각각 다른 반응 스펙트럼을 가진 여러 센서를 포함하며 유기 및 무기 화합물을 감지할 수 있습니다.

전자 혀는 식음료 분야부터 제약 산업까지 다양한 분야에 응용됩니다. 목표 제품 벤치마킹과 환경 매개변수 모니터링에도 사용됩니다.

참고: 나노기술의 생소한 14가지 용도 | 이점과 응용

2. 멤리스터(Memristor)

멤리스터 개념은 1971년 미국 전기공학자 레온 추아(Leon Chua)가 도입했습니다. 자기 플럭스와 전하를 연결하는 추가적인 비선형 회로 소자의 가능성을 추론했습니다.

모든 전자 회로는 인덕터, 커패시터, 저항 같은 수동 소자로 구성됩니다. 멤리스터라는 네 번째 소자가 있는데, 이는 저전력 저장 소자를 만드는 반도체입니다.

멤리스터는 회로의 전류 흐름을 조절하면서 이전에 흐른 전하량을 기억합니다. 멤리스터는 비휘발성 소자로 매우 높은 저장 용량과 속도를 가집니다.

멤리스터 특허에는 신호 처리, 뇌-컴퓨터 인터페이스, 재구성 가능한 컴퓨팅, 프로그래머블 로직, 신경망 응용이 포함됩니다. 미래에는 NAND 게이트를 대체해 디지털 논리 연산을 수행하는 데 적용될 수 있습니다.

1. 플렉시블 디스플레이

로욜(Royole): 초박형 플렉시블 디스플레이 | 이미지 출처: Paul Sawers / VentureBeat

많은 가전 제조사들이 플렉시블 디스플레이에 관심을 보이며 스마트폰과 태블릿에 이 기술을 적용하려고 노력 중입니다.

유연한 기판(금속, 플라스틱, 또는 유리) 기반 OLED는 구부릴 수 있는 가장 유망한 전자 시각 디스플레이 중 하나입니다. 플렉시블 OLED에 사용되는 금속과 유리 패널은 매우 얇고 가볍고 내구성이 강하며 사실상 파손되지 않습니다.

CES 2018에서 LG는 버튼 하나로 펼치고 필요 없을 때 다시 말아 넣을 수 있는 65인치 4K OLED 롤러블 디스플레이 시제품을 선보였습니다.

2019년 9월 삼성은 태블릿과 스마트폰 모두로 쓸 수 있는 새로운 폴더블 스마트폰을 출시했습니다.

참고: 세상을 바꾼 기술의 9가지 법칙

현재 세대 폴더블 기기는 많은 결함이 있고 너무 비쌉니다. 대부분 초기 수용자를 위한 개념 증명 기기일 뿐 대중 시장에 적합한 기기는 아닙니다. 그러나 플렉시블 디스플레이가 기술 산업 전반에 놀라운 발전을 이끌 수 있는 완전히 다른 무언가로 진화하고 있음은 분명합니다.