일본산업뉴스요약

일본 발(發) 소재, 반도체에서 실리콘 대체
카본나노튜브(CNT), 다시 각광

▶나노탄소: 60개의 탄소원자로 이루어진 축구공 형태의 ‘플러렌(Fullerene)’을 시작으로, 1980년대 이후 발견된 새로운 탄소분자들의 총칭이다. 튜브 형태의 ‘카본나노튜브(Carbon Nanotube, CNT)와 시트 형태인 ‘그래핀(Graphine)’이 3가지 대표적 재료이다. 3가지 모두 전자현미경으로 확대하지 않으면 관찰할 수 없다.
다이아몬드나 흑연 등 탄소로 이루어진 재료는 많고 공업에도 널리 이용되고 있다. 나노탄소는 더 많은 기능을 가지고 있으며 수지 등과 혼합해 이용하는 복합 재료 및 저소비전력 전자소자 등으로의 응용이 기대되고 있다.

-- 연구 개발, 미∙중이 견인 --
탄소원자가 튜브 형태로 연결된 CNT를 전자 분야의 소재로써 응용하는 연구에 다시 관심이 높아지고 있다. 미세화를 통해 성능을 높여온 실리콘제 반도체의 한계가 보이기 시작함에 따라 그것을 대체하는데 이용하려는 것이다. 주로 미국과 중국의 대학과 벤처기업들이 견인하고 있으며, 당초 CNT를 발견한 일본의 존재감은 낮아지고 있다.

지름 1나노미터 정도의 CNT는 이지마(飯島) 메이조(名城)대학 종신교수가 NEC에 재직하던 1991년에 발견했다. 가볍고 강도가 높다는 특색과 전도성 등의 기능을 발견. 축구공 형태로 연결된 ‘플러렌(Fullerene)’ 및 시트 형태인 ‘그래핀(Graphine)’과 함께 2000년경에 세계적으로 활성화되었던 나노기술 분야를 대표하는 소재가 되었다.

CNT에는 탄소의 연결 방식에 따라 전기를 잘 통과시키는 금속형과 실리콘과 같은 성질을 가진 반도체형의 2종류가 있다. 전자 소자로써의 응용을 목표로 하는 연구가 한 때 활발했지만, 금속형과 반도체형을 잘 구별해 만들지 못하는 문제를 해결하지 못해 큰 진전이 없는 시기가 이어졌다.

최근 반도체형만을 잘 이용할 수 있는 방법이 등장하면서 문제 해결 움직임이 나오고 있다. 후지쓰의 반도체 자회사, 후지쓰세미컨덕터가 2016년에 공동개발에 합의한 미국의 벤처기업, Nantero(매사추세츠 시)도 그 주역 중 한 곳이다.

Nantero는 CNT를 정밀 제조하는 독자적 기술을 보유, 반도체형이 널리 이용되고 있는 D램과 전원을 꺼도 정보가 남아 있는 ‘불휘발형’ 등의 메모리소자에 응용하는 기술 실현에 대한 전망을 밝게 했다.

불휘발형으로는 용량 2메가비트~16메가비트 수준의 시작품을 2020년을 목표로 만들 계획이다. 현재 주류인 플래시메모리와 경쟁하겠지만 소비전력이 4분의 1에 불과하다는 이점을 살려 다양한 정보 단말기에 탑재될 수 있다고 한다.

후지쓰세미컨덕터의 사토(斎藤) 부장대리는 “IoT시대에 걸 맞는 메모리소자가 될 것이다”라며 기대감을 나타냈다.

미국 매사추세츠공과대학(MIT)은 8월, CPU(중앙연산처리장치)의 핵심부분인 회로를 약 1만 4천개 이상의 CNT를 집적해 개발. 간단한 프로그램도 동작시켰다. 불순물인 금속형이 섞여 있는 경우에도 동작 시의 이상 신호를 감지해 그 부분을 사용하지 않는 방법 등을 도입했다.

탄소 소재에 대해 정통한 나고야대학의 이타미(伊丹) 교수는 “이론적으로 불가능하다고 알려져 있던 아이디어를 실현할 수 있다고 증명한 획기적인 성과다”라고 평가. 향후, CNT를 원하는 대로 합성할 수 있게 된다면 “더욱 발전을 기대할 수 있을 것이다”라고 덧붙였다.

중국에서도 베이징대학과 칭화(淸華)대학 등이 CNT를 이용한 연산소자를 개발 중이다. 미국과의 무역 마찰로 국산 기술의 확립이 요구되고 있는 배경도 연구에 긍정적으로 작용하고 있다.

일본의 CNT 응용은 리튬이온전지의 전극 재료 등에 유망 시 되면서 소재 분야에서 활발하지만, 전자 분야에서의 응용 연구는 국내 반도체 제조사의 쇠퇴와 함께 저조한 실정이다. 산업기술종합연구소의 유무라(湯村) 명예 연구원은 “대학에서 유용한 연구를 해도 이를 실용화하는 기업이 없고 정부의 지원도 약하다. 강한 기술력으로 해외 기업들과의 경쟁에서 이기지 않으면 안 된다”라고 말한다.

CNT 발견자 이지마 스미오(飯島 澄男) 교수에게 묻는다
전자용에 가까워지는 실용화

CNT의 발견자로 알려져 있는 메이조대학의 이지마 종신교수에게 최신 연구 동향 등에 대해 물어보았다.

Q. 발견으로부터 약 30년이 지났습니다.
A. “발견 당시 지름이 얇으면 전자 1개만을 통과시키는 등의 제어에 응용할 수 있지 않을까라는 생각이 들었다. 금새 반도체에 이용하기 위한 연구가 활발해졌지만, 당시에는 고순도로 대량으로 생산할 방법이 없어 집적 회로를 만드는 수준까지는 이르지 못했다”.

Q. 최근 어떤 연구에 주목하고 계신가요?
A. “연산처리장치 등 전자소자로의 응용이 흥미롭다. 미국 매사추세츠 공과대학이 드디어 연산소자를 개발했다. CNT의 배치 등에 무리인 측면도 있지만 훌륭한 성과라고 할 수 있다. 점차 실용화 단계에 가까워질 것으로 생각된다”.

Q. 실용화를 위해 필요한 것은 무엇일까요?
A. “실리콘을 이용한 반도체는 미세화의 한계에 와있다. CNT라면 더욱 미세화할 수 있다. 최대 장벽은 1줄씩 똑바로 나열하는 기술이 없다는 점이다. 실현된다면 일대 혁명이 될 것이다”.

 -- 끝 --