먼저 알아두어야 할것은 나노과학, 나노기술이란 무엇인가 하는것입니다.
요즘 언론에서 나노과학 나노기술이란말들을 많이 접하게 되는데
나노가 무엇인지 제대로 파악하기에는 좀 무리가 있는 기사들이 많은것으로 보입니다.
그냥 일종의 트렌드처럼 쓰이고 있는것 같더군요.
일반적으로 나노과학, 나노기술이란
다루는 대상의 크기가 나노영역의 크기를 가질때의 과학, 기술을 말합니다.
보통 다루는 대상의 길이가 100nm이하의 크기를 가지면 나노기술이라고 말합니다.
(나노기술이 꼭 아주 작은 입자만을 다루는것은 아닙니다.
즉 두께 100나노미터 이하의 박막기술도 나노기술의 범주에 들어갑니다.)
이말을 결국 다루는 대상의 크기가 나노영역이면 무엇이든지 나노기술이 될수 있다는 뜻입니다.
이러한 이유로 나노기술은 상당히 넓은 영역에 걸친 기술이 되는데, 간단히 열거해보자면,
나노물리, 나노화학, 나노생물, 나노전자공학, 나노기계, 나노재료, 나노생명공학, 나노의학 등등
수많은 나노기술들이 존재할수 있습니다.
사실 현존하는 거의 모든 이공계 학과가 나노기술과 관련있다고 봐도 될정도입니다.
전자공학역시 나노와 밀접한 관계를 가지고 있지요.
즉, 나노기술은 독립된 한가지의 기술분야가 아니라,
수많은 기술의 복합체인것입니다.
이 모든것을 다 다루는것은 불가능하고,
전자공학, 특히 반도체쪽과 관련지어서
나노를 공부하기위해서 필요한 것들과
전자공학과 관련된 나노기술은 어떠한 것들이 있는지 알아보도록 하죠
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일단 나노쪽을 공부하자고하면 무엇을 하던지 꼭 배워야 할것이 양자역학입니다.
대상이 나노크기로 작아지게 되면 그것이 무엇이든지간에
양자효과를 고려해야만 제대로 이해할수 있게되는데
그러기위해서는 양자역학의 이해가 필수입니다.
그리고 화학에관한 지식도 어느정도 필요한데,
일단 일반화학 수준의 지식을 숙지하고 있다면 크게 지장 없을 것이고
나중에 필요하면 더 찾아볼수 있을것입니다.
반도체 물성쪽으로 계속 공부하시려면,
고체물리, 반도체물리, 기본적인 광학에관한 지식들이 필요합니다.
나노기술이라고해서 기본이 다르지는 않습니다.
학교에서 배우는 것들은 기존의 기본적인 과목들로도 충분하고,
그 지식들을 어떻게 응용하는가 하는 관점에서 나노기술이 형성되는것입니다.
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1. Nano Paterning
일단 반도체쪽에서 나노기술을 공부하시려면 가장 관련이 많은 분야가 나노패터닝 입니다.
반도체를 만들때 중요한것이, 회로를 설계하는것과, 설계된 회로를 구현하는것 입니다.
얼마나 회로를 작고 정확하게 그려낼수 있는가 하는것이 반도체의 성능과 직결되는 인인데,
이러한 패터닝의 관점에서 나노기술이 유용해지고 있습니다.
1.1 Top-Down 방식
현재 반도체를 만드는대 쓰이는 기술인 포토 리소그래피 기술은 대표적인 탑다운 방식입니다.
탑다운 방식이란, 큰 물체를 점점 잘개 쪼개나가는 방식이죠.
현재의 리소그래피 기술은 거의 한계에 다가서있다고 생각되어지고 있어서
새로운 방식의 패터닝방식이 요구되고 있습니다.
이러한 노력들에 NGL (Next Generation Lithography) 라고 불리는 새로운 리소그래피들이 있는데
아직까지는 No Good Lithography 라고 불릴정도로 대부분이 그다지 만족스럽지 못한 기술들 입니다.
그중에 두가지가 현재 가장 각광받고 있는데
EUV Lithography와 E-Beam Lithography가 그것들입니다.
1.1.1 EUV(Extream Ultraviolet)리소그래피
말그대로 Exposure공정에 사용하는 빛을 극자외선을 이용하여 하는것입니다.
파장이 짧아질수록 더 작은 크기의 패턴을 만들수 있지만
마스크나 렌즈를 만들기가 힘드는등 많은 기술적 난점이 있습니다.
하지만 현재 사용되고 있는 리소그래피 장비를 크게 바꾸지 않고
기술을 업그레이드 할수 있다는 장점이 있습니다.
참고로 더 작은 파장을 이용하는 X-Ray Lithography가 있지만
마스크를 만들때 1:1로 만들수 밖에 없어서, 패터닝에 어려움이 있습니다.
1.1.2 E-Beam 리소그래피
전자빔을 substrate에 주사하여 패터닝을 하는 방식입니다.
EUV방식보다 더 미세한 패터닝을 할수 있는 장점이 있지만
아직 양산에 어려움이 있고, 비용도 만만치 않은 단점이 있습니다
Bell Lab. 에서 개발한 SCALPEL이라는 E-Beam 방식이 가장 유력한 후보로 떠오르고 있습니다.
현재 기업들의 동향을 보자면 이 두가지 중에서 EUV쪽으로 약간 기운듯 합니다.
아무래도 기존의 장비를 그대로 이용할수 있는 장점을 무시할수 없죠.
장비하나에 수백억에서 수천억씩 하고 라인하나에 수조원이 넘는 반도체 산업에서는요.
1.1.3
그외의 탑다운 방식으로는
Nano Imprint 방식이 있습니다.
말그대로, 나노스케일의 Mold를 만들어서
찍어내듯이 패터닝을 하는 방식입니다.
1.2 Bottom-Up 방식
바텀업 방식은 완전히 반대되는 방식으로 마치 레고블럭을 쌓듯이
분자들을 직접 조절하여 패터닝을 하는것입니다.
1.2.1 Self-Assembly
분자들의 자기조립 성질을 이용한 패터닝 입니다.
화학베이스의 나노기술이며 분자가 자기조립할때 여러 팩터를 조절하여
원하는 패턴을 만드는 기술입니다.
현재 차세대 패터닝의 방법으로 가장 각광받는 방식이기는하지만
아직 한정된 종류의 패터닝 밖에는 불가능하고
사용가능한 물질도 제한되있는등 기술적 난점이 많습니다.
1.2.2 Molecular(Atomic) Manipulation
분자나 원자를 직접 조정하여 패턴을 만드는 방식입니다.
몇년전 IBM에서 최초로 원자를 직접 움직여서 IBM이라는 글을 쓰면서 그 가능성을 보여준 분야입니다.
이론상 가장 미세한 패터닝을 할수 있는 기술이지만
원자(분자) 하나하나를 움직여야 하기때문에 속도가 엄청나게 느립니다.
양산이 가능할것인가 하는것이 가장 큰 관건이지요.
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2. Nano Device
패터닝과는 별개로 새로운 형태의 디바이스를 나노크기로 만들어내고자 하는 분야입니다.
2.1 Nano Transistor
일단 트랜지스터를 작게 만들수 있다면 어떠한 회로도 구성할수 있기때문에
아주 작은 트랜지스터를 들고자하는 노력들이 있습니다.
2.1.1 SET (Single Electron Transistor)
일반적인 트랜지스터가 엄청나게 많은 전자들로 작동하는 반면에
단 한개의 전자만으로도 트랜지스터를 만들수가 있습니다.
아주 작은 구조인 Quantum Dot을 만들고 Base Emitter Collector를 연결하여 주면
전자 하나를 콘트롤하여 트랜지스터를 만들수 있죠.
미래의 전자소자로 각광받는 기술이기는 하나
아직 초저온에서밖에 작동할수 없고, 회로를 만들기가 어려운등의 기술적 난점이 있습니다.
2.1.2 Nanowire, Nanotube, others
그 외에서 나노와이어나 잘 알려진 나노튜브등을 이용하여
나노크기의 트랜지스터를 만들려는 시도가 많이 이루어지고 있습니다.
현재 나노튜브를 이용한 트랜지스터의 구현은 가능하다고 생각되어지고 있습니다.
이제 연구가 시작되는 분야라 많은것이 이루어지진 않았지만
말하자면 할게 많이 남아있는분야이기도 합니다.
2.1.3 Molecular Transistor, Organic Transistor
반도체 성질을 가진 유기화합물이나 분자, 심지어는 DNA와 같은 생물학적인 방법으로
트랜지스터를 만드려는 수많은 시도가 있습니다.
3. New Devices, Quantum Logic Gate, and so on..
나노기술의 초창기에는
나노영역에서 나타나는 양자효과를 어떻게 효율적으로 제거하고
우리가 쓰는 디바이스들을 만들수 있을까..하는것이 주된 연구방향 이엇습니다.
그러나 요즘에는 오히려 양자효과를 이용하면 더욱 뛰어난 성능의 디바이스를
만들수 있다는것을 깨닫고, 그러한 방법을 연구하는 추세입니다.
3.1 Spintronics
현재의 전자공학은 전자의 전하를 이용하고 있습니다.
그러나 앞으로는 전자의 스핀까지 이용하는 스핀트로닉스가 개발될것이라는것이
현재의 관측입니다.
사실 스핀트로닉스는 나노기술중에 가장 빨리 산업화가 진행되고 있는 분야이며
몇몇 스핀트로닉스는 이미 상용화 되어 있습니다.
가장 대표적인게 최근에 나오는 초고용량 하드디스크들인데
이러한 하드디스크를보면 'GMR헤드'를 가지고 있다는 표현들을 볼수있을것입니다.
Giant Magnetoresistance (GMR)구조는 현재 응용되고 있는 가장 대표적인 나노구조이며
이외에도 TMR, AMR등등 많은 나노구조들이 스핀트로닉스에 응용될것으로 예상되고 있습니다.
대표적으로 요즘 가장 주목받고 있는 MRAM (Magnetic RAM)의경우
주로 (Tunnelling Magnetiresistance) TMR 구조를 이용하고 있습니다.
3.2 Quamtum Computer
양자역학의 성질을 이용하면
현재의 컴퓨터보다 훨씬 뛰어난 성능을 지는 양자컴퓨터를 구현할수 있을것으로 예측되어집니다.
이러한 양자컴퓨터의 연구는 크게 두가지로 나누어지며
한가지는 Quantum Logic 을 연구하는 분야이고 (소프트웨어에 해당)
또하나는 이러한 논리를 구현할만한 Quantum Gate 를 연구하는것입니다. (하드웨어)
이중에 양자게이트를 연구하는 분야가 나노기술과 밀접한 관계를 가집니다.
양자효과를 가져야 하기때문에, 당연히 나노수준으로 소자가 작아져야하기때문이죠.
현재 Quantum Dot 등을 기본으로 전자를 이용한 구현방법과
Neuclear Magnetic Resonance (NMR)의 원자핵스핀을 이용한 방법
광학적인 구현방법
등이 연구되고 있습니다.
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나노기술은 이제 출발선에 있는기술일 뿐만 아니라
그 분야가 엄청나게 넓은 분야입니다.
반도체에만 국한시켜봐도 위와같이 많은 분야가 존재하며
사실 더 많은 분야가 존재합니다.
일단 님이 무엇을 공부하고 싶은지 명확하게 결정한후에
관련연구실의 논문들을 입수하여 읽어보시면 전체적인 분위기를 파악하는데 도움이 될것입니다.
