연극과 패션 그리고 소극장이야기

<니케이 일렉트로닉스 아시아-코리아> 일본 NEC일렉트로닉스는 최근 운반체 이동도가 뛰어난 것으로 알려진 탄소 나노튜브로 '페인트' 트랜지스터를 만드는 기술을 개발했다고 발표했다. 이 같은 NEC의 발표가 인쇄 전자제품 분야에서 큰 이슈가 되었던 이유는 운반체 이동도가 실리콘 수준에 근접했기 때문이다. 이 기술은 현재 큰 난관으로 여겨지는 전기 특성들을 비약적으로 발전시킬 수 있지도 모른다.
인쇄 전자제품은 인쇄 기술을 사용하는 전자 소자로 구성되는데, 이들 소자는 기존의 제품보다 생산비가 적게 든다. 또한 소자의 무게가 더 가볍고 휘어지는 기계적 특징을 가진다.
하지만 IC와 LCD 패널 등 반도체 기술로 만든 디바이스에 비해 스위칭 속도가 떨어지는 단점이 있다. 최근까지 엔지니어들은 이처럼 낮은 스위칭 성능으로 인해 이들 소자를 간과했지만 NEC의 신기술로 인해 스위칭 성능을 개선할 수 있을 것으로 보인다.

유동도가 높은 박막
NEC가 개발한 트랜지스터는 채널층을 생성하기 위해 탄소 나노튜브를 코팅하는 방법으로 만든다. PEN(Polyethylene Naphthalate)을 기판으로 사용하기 때문에 시제품은 구부릴 수가 있다(그림 1). 운반체 이동도는 100cm²/Vs로 이미 널리 사용 중인 폴리 실리콘과 맞먹는다. 인쇄 전자제품은 일반적으로 유기 반도체로 채널층을 형성하므로 운반체 이동도가 최고 1cm²/Vs 수준이었다.
플렉시블 전자제품에 사용되는 PEN과 기타 플라스틱 기판은 휘어지지만 동시에 내열성이 낮아서 생산공정의 온도가 200℃를 넘을 수 없다. 이 같은 온도 한계로 인해 운반체 이동도가 높은 실리콘 등 비유기 반도체를 사용하는 게 어려운데 그 이유는 결정화에는 고온 공정이 필요하기 때문이다. 따라서 일반적인 해결책으로 유기 반도체를 사용해 왔다.
이 같은 문제점은 NEC가 개발한 기술로 완전히 해결 가능하다. 운반체 이동도가 실리콘보다 몇 배 뛰어난 탄소 나노튜보를 휘발성 용제에 녹이면 플라스틱 기판에 코팅된 후 건조된다. 이 결과 운반체 이동도가 뛰어난 탄소 나노튜브 막이 형성된다.

10⁷ 온/오프비
하지만 탄소 나노튜브를 코팅하는 방법으로 만든 트랜지스터 역시 단락과 같은 문제점을 안고 있다. 그 이유는 탄소 나노튜브는 반도체와 금속 물질의 혼합물이기 때문이며 금속 나노튜브는 소스와 드레인 간에 단락을 일으킨다. 소스와 드레인 둘을 분리하는 간단한 기술이 아직 개발되지 않았다. 디바이스 제작이 이뤄지면 이후 금속 나노튜브를 태우기 위해 고전류를 공급하지만 상당한 시간이 소요될 뿐만 아니라 트랜지스터도 파손된다.

혼합된 금속 나노튜브와의 단락 가능성을 최소화하기 위해서 NEC는 탄소 나노튜브보다 긴 채널을 만들었다. 이를 위해서는 탄소 나노튜브 여러 개가 필요하며(그림 2a), 탄소 나노튜브 한 개로는 소스와 드레인이 서로 단락되지 않는다. 금속 나노튜브의 비율이 반도체 나노튜브보다 낮기 때문에 소스와 드레인이 금속 나노튜브만으로 단락이 일어날 가능성은 낮아진다.
NEC는 시제품 측정과 시뮬레이션 결과를 통해서 쇼트 방지기술의 효과를 검증했는데, 이에 따르면 온/오프비가 10⁷으로 높게 상승했고 고장률은 10^-4 이하로 내려갔다. 특히 시제품을 통해서 탄소 나노튜브 길이와 채널 길이 및 드레인 전류 온/오프비 사이의 관계를 연구할 수 있었다. 길이 1~20μm의 탄소 나노튜브는 채널 길이 30μm 이상을 사용하여 온/오프비가 증가했다. 온/오프비는 채널 길이 100μm에서 최고 10⁷를 나타냈다.
하지만 100μm 이상에서 온/오프비는 거의 증가하지 않았는데 그 이유는 채널 길이가 길어질수록 전류가 통과해야 하는 탄소 나노튜브가 증가하기 때문이다. NEC는 이것이 수많은 탄소 나노튜브 커넥터로 인해 저항이 증가하고 전류가 감소하기 때문이라고 보고있다.

편차 해결
시뮬레이션을 통해 트랜지스터 고장률(오픈, 단락 등)이 탄소 나노튜브 길이와 밀도의 변화에 따라 어떻게 변하는지도 조사했다. 채널 길이 50μm의 경우 고장률은 탄소 나노튜브 길이 10μm일 때 10^-4, 5μm일 때 10^-5, 3μm일 때 10^-9을 나타냈다.
여기에는 중요한 문제점 두 가지가 있는데 그 중 첫 번째는 채널 길이가 100μm로 굉장히 길다는 것이다. 일반적으로 인쇄 기술에서는 분해능을 낮추것은 어려운 반면에, 반도체 기술에서 채널 길이 20~30μm인 트랜지스터는 일반적이며 심지어 10μm 수준의 트랜지스터도 놀라운 일이 아니다. 하지만 채널 길이를 100μm미만으로 줄이기 전에 금속 탄소 나노튜브 비중을 줄일 필요가 있을 것으로 보인다.
또 다른 문제점은 편차다. NEC는 세부 내용을 공개하지 않았지만 시제품 트랜지스터는 전기 특성 면에서 상당한 편차를 분명히 드러냈다.

http://www.neakorea.co.kr/article_view.asp?seno=4407