오랜 기간 동안 가설로 제안되었던 ‘네거티브 커패시턴스(negative capacitance)’ 라고 불리는 희귀한 현상을 직접 관찰하는 방법이 Nature Materials지에 처음 소개되었다. 본 연구는 강유전체 물질에서 인가된 전압에 대한 전하의 독특한 반응을 설명해 주고 있으며, 트랜지스터나 트랜지스터를 포함하는 기기에 의해서 소비되는 전력을 크게 감소시킬 수 있는 가능성을 열어주고 있다. 

커패시턴스(capacitance, 전기용량)란 어떤 물질이 전하(electrical charge)를 저장하는 능력을 나타내는 지표이다. 실제로 모든 전자기기에서 나타나는 일반적인 커패시터(capacitor, 축전기)는 전압이 커패시터에 인가되었을 때 전하를 저장하게 된다. 새로운 현상은 역설적인 반응을 나타낸다. 즉, 인가되는 전압이 증가하면 전하의 저장이 감소한다. 때문에 `negative capacitance`라고 지칭하게 되었다. 

저자인 Asif Khan에 의하면, 이런 특성을 트랜지스터에 성공적으로 접목시키면, 소비전력을 크게 감소시킬 수 있게 될 것이라고 한다. 또한 장시간 사용할 수 있는 휴대폰 배터리, 전력소비가 적은 컴퓨터 및 현재 태생단계에 있는 디지털 혁신의 주축이 될 더 빠르고 작은 프로세서 개발을 크게 앞당기게 될 것이다. 

이런 큰 돌파구 없이는, 소형화 및 기능 향상의 흐름은 나노크기에서 가동되는 트랜지스터의 물리적 한계에 위협을 받게 될 것이다. 비록 작은 스위치를 더 작게 만들 수 있지만, 스위치를 켜고 끄는데 필요한 전력의 양도 그 정도에 불과하다. 이런 한계는 Boltzmann Tyranny라고 불리는 전자의 볼츠만 분포(Boltzmann distribution)에 의해 규정된다. 더 이상 줄일 수 없을 정도의 전기를 사용하기 때문에, 너무 밀집된 초소형 트랜지스터는 발생되는 열을 발산하지 못해 고장을 일으킬 것이다. 

UC Berkeley, CITRIS 및 전기공학/컴퓨터과학 부교수인 Sayeef Salahuddin이 참여한 새로운 연구에서, 이런 Boltzmann Tyranny를 극복할 수 있는 방법을 제시하고 있다. 분질적으로 에너지를 저장할 수 있는 특정 물질의 가능성을 기반으로 인가되는 전압을 증폭시키는 방법을 탐구하게 된다. 결과적으로 트랜지스터는 가동에 필요한 최소한의 전압을 이용할 수 있도록 할 수 있다. 즉, 모든 컴퓨터 연산의 핵심인 트랜지스터를 켜고 끄는데 사용되는 전기를 줄일 수 있다. 

네거티브 커패시턴스를 달성하기 위해 사용하는 재료는, 1940년대에 처음 발견된 강유전체(ferroelectrics)라고 불리는 결정성 물질에 속한다. 이 물질은 메모리 분야 및 상업용 저장매체에 적용하기 위해 오랫동안 연구되어 왔다. 또한 강유전체는 주파수조절 회로 및 많은 MEMS(microelectromechanical systems)에서도 애용되는 물질이다. 그러나 이런 물질을 에너지 효율적인 트랜지스터 용도로 사용할 수 있는 가능성은 2008년, Salahuddin가 UC Berkeley 조교수로 재직하기 직전에 처음 제기하였다. 

지난 6년 동안 Salahuddin의 대학원생 중 한 명인 Khan이 펄스 레이저(pulsed laser)를 사용하여 다양한 종류의 강유전체 물질을 성장시켰고 이들 물질의 네거티브 커패시턴스를 실험하는 독창적인 방법을 개발하였다. 

네커티브 커패시턴스는 트랜지스터의 작동을 변형시킬 뿐만 아니라 잠재적으로 고밀도 메모리 저장기기, 슈퍼컴퓨터, 코일이 없는 오실레이터 및 공진기(resonator)와 환경으로부터 에너지를 수확하기 위한 기기의 개발에 사용될 수 있다. 

강유전체의 네거티브 커패시턴스를 탐구하는 것은, 정보를 저장하는데 소요되는 비용을 감소시키려는 전략의 하나이다. 연구팀은 에너지효율성 프로그램(attojoule-per-bit program)을 개발하였으며, 1 attojoule(10^ -18)에 1비트를 조작하는데 소비되는 전체 에너지를 감소시키려는 노력의 일환이다. 이 일에 네거티브 커패시턴스는 매우 중요한 역할을 담당하게 된 것이다. 

본 연구는 UC Berkeley내 연구시설은 CITRIS의 Marvell Nanofabrication Laboratory를 활용할 수 있었기에 가능하였다. 이곳은 전 세계에서 나노제조 실험실 중 가장 뛰어난 곳 중 하나이며, 일반적인 트랜지스터의 크기 한계를 극복한 3D FinFET 트랜지스터와 같은 혁신적인 기술을 탄생시킨 곳이기도 하다. 

CITRIS의 Marvell NanoLab은 반도체 기기 및 집적회로를 제작할 수 있는 최첨단 장비를 보유하고 있다. 그러나 연구팀은 산업게 연구실에서 접근해 본 적이 없는 새로운 재료에 이 첨단기기를 이용하였다. 이런 네거티브 커패시턴스 강유전체와 같은 새로운 재료를 이용한 실험이 적극적으로 추천된다고 연구팀은 밝혔다. 

다음 단계는 실제 트랜지스터를 제작하여 새로운 현상을 탐구하는 것이라고 Salahuddin은 계획을 소개하였다. 연구팀은 기존 실리콘 가공과정과의 호환성을 확립해야 할 필요성이 있으며, 원리적으로 증명된 측정기술을 실용화하는 것이 필요하다고 밝혔다. 

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』