■ 기술의 정의 및 분류

◇ 기술의 정의

나노와이어는 나노미터 크기의 직경(<100nm)을 가지며, 그 종횡비(aspect ratio)가 커서 수십~수백 마이크로미터(µm)의 길이를 가지는 일차원 나노 소재다. 이러한 나노와이어는 양자 효과와 단결정성에 기반한 새로운 물리적·화학적·기계적 성질 및 우수한 전기적·광학적 특성을 가진다. 특히 기존 반도체 공정기술과의 호환성 및 접근성이 뛰어나다.

또한 나노와이어는 지름방향으로는 나노미터 크기를 가지고, 길이 방향으로는 마이크로미터 이상의 크기를 갖기 때문에 인위적 조작이 수월하다. 이러한 점은 나노 재료의 배열에 의한 나노소자 개발에서 큰 장점으로 작용한다.

◇ 기술의 분류

나노와이어는 금속성(Ni, Pt, Au 등), 반도체(Si, InP, GaN, GaAs, ZnO 등), 절연성 (SiO₂, TiO₂ 등) 나노와이어로 구분할 수 있으며, 세부 분류는 다음의 표와 같다.

▲ 나노와이어(左) 및 나노와이어 어레이.

◇ 기술의 분류

나노와이어는 금속성(Ni, Pt, Au 등), 반도체(Si, InP, GaN, GaAs, ZnO 등), 절연성 (SiO₂, TiO₂ 등) 나노와이어로 구분할 수 있으며, 세부 분류는 다음의 표와 같다.

▲ 나노와이어 분류.

■ 환경변화

◇ 차세대 나노 반도체 기술 개발의 필요성

지금까지 반도체 관련 산업은 1980년대의 소형화·집적화, 1990년대의 초소형화·고집적화를 기반으로 발전했다. 이러한 발전은 소자 크기가 작아지더라도 소자 작동 원리가 그대로 유지될 수 있다는 것을 기반으로 한다. 따라서 기존의 기술 방식의 연장선상에서 그 기술을 보다 향상 시키는 방향으로 연구개발이 이루어졌고, 그것들은 매우 성공적이었다. 한편 반도체 관련 산업에서의 지속적인 소형화 요구로 인해 2015년경에는 수 nm 크기에서 작동하는 나노 소자가 필요할 것으로 예상된다. 따라서 소위 리소그래피 기술로 대변되는 Top-down방식의 기술적 장벽을 뛰어넘는 획기적인 기술의 개발이 요구된다.

▲ 가능한 반도체 소자 집적화 로드맵 .

◇ 나노 소자의 구현 가능성

나노미터 크기에서의 나노 전자소자의 작동은 양자 현상의 지배를 받기 때문에 기존의 특성과 다른 물성이 발현된다. 예를 들면, 정보전달의 기본이 되는 전자의 거동은 고전적 의미의 입자로서 더 이상 여겨질 수 없고, 물질파의 특성이 나타나게 된다. 따라서 나노 소자의 성공적인 구성을 위해서는 나노 수준에서의 일어나는 반도체의 물리적 특성이 연구돼야한다. 이에 대한 이해는 고집적 메모리를 포함한 차세대 나노 소자의 기본 전제조건이다. 더 나아가 이러한 나노 소자의 양자 특성에 관한 이해는, 우리가 나노 물질의 크기 및 형태를 조절함으로써 원하는 성질을 마음대로 제어할 수 있는 나노 소자의 구현을 가능하게 한다.

■ 기술의 중요성

◇ 나노 소재 신기술 대두

현재 Bottom-up 방식은 50nm 이하 크기 나노소재를 소자에 적용할 수 있는 기술 실현의 가능성을 제시했다. 하지만 현재까지 소자 개발을 위한 정렬이나 접합 기술이 개발되지 않았다. 향후 Bottom-up 방식의 기술이 Top-down 방식의 나노소재와 적절히 결합될 경우 차세대 전자 소재 개발을 위한 기반기술을 확보 할 수 있을 것으로 기대된다.

◇ 차세대 소자 개발을 위한 Hybrid 방식의 개발 필요성

Bottom-up 방식과 Top-down 방식의 조합은 차세대 나노 메모리 원천 기술을 확보하는데 필요하다. 나노와이어는 그 자체로 일정한 반도체 특성을 가지고 있으며 나노 크기의 장점을 갖고 있는 동시에 일차원 구조를 갖는다. 따라서 Bottom-up과 Top-down을 조합한 집적 기술이 개발될 경우 우수한 성능의 고집적 나노 소자 개발이 가능할 것으로 기대된다.

▲ Top-down 과 Bottom-up 방식을 조합한 나노와이어 집적성장과 소자 구성.

■ 기술분야별 동향

◇ 나노와이어 합성 기술

일차원 나노 구조체인 나노와이어를 다양한 분야에 응용하기 위해서는 화학적 조성, 직경, 길이 및 전자·광학적 특성을 조절해서 다양한 종류의 나노와이어를 합성할 수 있어야만 한다. 이러한 요구조건을 쉽게 합성하는 기술이 요구된다. 나노와이어 합성 기술은 크게 단일성분 나노와이어 합성 기술과 두 가지 이상의 성분으로 이루어진 이종구조(hetero-structure) 나노와이어 합성기술로 분류된다.

▲ 반도체 단일 성분 나노와이어와 이종구조 나노와이어.

○ 단일 성분 나노와이어 합성 기술

일차원 나노와이어 합성에 요구되는 기본 조건은 원자 간의 결합력이 등방성(isotropic)인 어떤 시스템이 1차원 방향으로만 성장하게 하는 것이다. 이를 위해서는 등방성 내지는 대칭성을 극복할 수 있는 결정성장기구가 존재해야 한다. 이렇게 소위 ‘대칭성의 파괴(symmetry breaking)’에 의해서 1차원으로 성장하는 나노와이어를 합성하기 위해 다양한 연구가 수행됐다. 1차원 성장을 유도하는 수단으로 금속의 액체 방울을 촉매로 이용하는 방법이 일반적인 방법으로 정착됐다. 이 합성기술은 반응에 관여하는 물질 상(phase)의 종류와 가지수에 따라 기상-액상-고상(VLS), 용액-액상-고상 (SLS) 및 기상-고상(VS) 성장방법으로 분류된다.

▲ VLS 공정에 의한 반도체 나노와이어 합성 기술.

○ 이종구조(hetero-structure) 나노와이어 합성 기술

나노와이어로 성장하는 도중에 전구물질의 종류를 바꿔주면 이종구조의 나노와이어를 합성할 수 있다. 즉, 일단 한 성분의 나노와이어가 축 방향으로 어느 정도 성장시킨 후 새로운 물질의 증기를 도입할 때 이 증기가 고체의 와이어 표면보다는 금속-반도체 합금용액으로 선택적 흡착이 일어나게 한다. 그리고 이 새로운 반도체 성분이 계속해서 와이어로 성장해서 이종 구조의 와이어로 성장하게 된다.

반면, 새롭게 도입되는 전구물질의 증기가 촉매 표면보다는 반도체 나노와이어 표면에 흡착된다면, 원래의 나노와이어 표면위에 셸(shell)을 형성하게 돼서 결국은 코어-셸(core-shell) 구조로 성장하게 된다. 따라서 이종구조를 축 방향으로 성장시킬 것인지, 또는 원주 방향으로 성장시킬지를 조절하기 위해서는 계면에서의 반응 역학적 변수를 조절할 수 있어야 한다. 이러한 기술을 활용해서 축 방향과 원주 방향의 성장을 조절하면 일차원 나노와이어 구조 안에 임의의 조성으로 캐핑된 영차원 양자점을 포함하는 복잡한 이종 구조도 만들 수 있다.

▲ VLS 공정을 이용한 이종구조 나노와이어 합성 기술.

美·EU·中 기술개발 선도, 中 과학자 전 세계에서 맹활약 중

韓, 선진국의 70% 수준…앞선 CMOS 기술 연계 시 경쟁력 ↑

◇ 나노와이어 정렬 기술

새로운 물리적·화학적 특성들이 발현되는 다양한 종류의 나노와이어들이 출현하게 됨으로써 이러한 물질 자체에 대한 기초과학연구가 활발하다. 또한 반도체 나노와이어를 빌딩블럭으로 이용하는 기술적 응용연구도 다양하게 전개되고 있다.

나노와이어 빌딩블럭으로부터 유용한 나노시스템을 만들기 위해서는 나노와이어로부터 출발해서 단계적으로 점점 더 복잡한 구조로 결합할 수 있는 기술을 개발해야 한다. 이를 위해서는 우선 나노와이어들을 특정 공간 내에 방향과 위치를 원하는 규칙대로 분포시킨 나노와이어 어레이를 만들어야 한다. 그 다음 원하는 성능을 발휘할 수 있는 디바이스가 될 수 있도록 나노와이어 어레이들을 상호 연결하고 결합시키는 방법을 개선해야 한다.

나노와이어 정렬 기술의 발달로 나노와이어로부터 빌딩블럭 어레이를 조립하는 것이 가능해져 나노와이어 물질들의 기본적인 특성을 연구할 수 있는 기회가 더욱 커졌을 뿐만 아니라 실제로 유용한 디바이스를 조립할 수 있는 가능성도 커진다.

○ 전기장 유도방법

나노디바이스를 만들기 위한 수단의 하나로 전기장 유도에 의한 결합(electrical field-directed assembly)이 모색되고 있다. 나노와이어는 이방성 구조와 높은 극성으로 인해서 전기장을 걸어주면 이를 정렬시킬 수 있다. 이 방법을 이용하면 각 개의 나노와이어를 서로 평행하게 배치시킬 수 있을 뿐만 아니라 교차된 구조로도 결합시킬 수 있다. 이 두 가지의 형상은 기초 빌딩블럭으로부터 만드는 기본 구조라는 점에서 나노미터 크기의 디바이스 어레이를 병렬조립할 수 있는 합리적인 방법이다.

▲ 전기장 유도에 의한 나노와이어 정렬.

○ 미세유체 유동 유도 방법

미세유체 유동 유도방법은 일차원 구조물을 이용해서 나노시스템을 좀 더 융통성 있게 조립할 수 있는 방법으로 제시됐다.

이 방법은 마이크로 유체 통로를 통해서 나노와이어 서스펜션을 통과시켜서 나노와이어를 정렬시키는 기술이다. 즉, 유체의 흐르는 방향에 따라서 기판 위에 나노와이어를 정렬시킬 수 있는데, 유체의 미세유동 통로의 길이에 따라서 수 백 마이크로미터 길이로도 정렬시킬 수 있다.

▲ 미세유체 유동 유도에 의한 나노와이어 정렬.

○ 수직 나노와이어 이송 방법

나노와이어 어레이를 3차원 아키텍쳐 구성과 이를 이용한 소자 기술을 확보하기 위한 방법의 하나로 수직 나노와이어 어레이를 이송하는 방법이 제시됐다. 이 방법을 이용할 경우 나노와이어 집적도를 그대로 소자화시킬 수 있고 다양한 기판위에 이송시킬 수 있는 장점이 있다. 또한 미래의 플렉시블 소자의 빌딩 블록으로도 응용이 가능할 것으로 사료된다.

▲ 수직 이송 방법에 의한 나노와이어 어레이 정렬.

■ 기술개발 주요이슈

◇ 나노와이어 집적화의 필요성

나노와이어를 합성하는 기술은 상당히 빠르게 발전하고 있는 반면, 나노와이어의 특성을 정확하게 조절하고, 이들 와이어를 결합해서 삼차원 구조를 만드는 기술의 진전은 느린 편이다. 시급하게 해결해야 할 문제는 나노와이어를 결합하고, 이 결합과정에서 발생되는 물질간의 상호작용과 관련된 현상을 규명하는 것이다. 즉, 각 개 요소를 고밀도로 배열하는 방법과 기판상에 나노와이어 층들을 쌓아서 정확한 구조물을 만드는 방법을 개발해야 한다.

◇ 나노와이어의 재현성과 명확한 이해의 필요성

반도체-반도체, 반도체-금속 간의 접촉면을 재현성 있게 구현하고, 이 경계면에서의 물리·화학적 현상들을 정확하게 이해해야 한다. 또한 나노와이어의 크기·형상·성장방향·위치와 나노와이어 내의 불순물(dopant)의 분포를 정확하게 조절하는 기술을 확보하고, 모든 실험에 앞서 물리·화학적 현상들을 이론적으로 모사할 수 있는 능력을 확보해야 한다.

◇ 환경 문제

나노와이어들이 대량 생산됐을 때에 환경이나 건강에 미치는 영향을 조직적으로 평가해야 한다.

■ 해외 동향-미국

◇ 연구개발 현황

미국은 2000년 NNI(National Nanotechnology Initiative)를 수립한 이래, 2005년에는 새로운 NNI 체제를 구축했다. 2009년에는 ‘나노기술수정 법안 2009(National Nanotechnology Initiative Amendaments Act of 2009)’을 발표하고, 나노기술의 안정성·산업화·교육 문제에 주력하고 있다.

나노와이어 연구는 크게 나노와이어의 합성과 이 나노와이어를 이용해서 나노규모의 다이오드나 FET(Field Effect Transistor) 등과 같은 나노소자들을 조립해 실제 전자 디바이스에 응용할 수 있는 가능성을 모색한다. 합성연구는 캘리포니아대학교 버클리 캠퍼스의 P. Yang 교수팀, 나노와이어를 응용하는 연구는 하버드 대학교 Lieber 교수팀이 선도하고 있다. 이외에도 많은 연구기관에서 나노와이어의 합성과 응용 연구가 활발하게 진행하고 있다. 또한 화학·생물·의료 분야에서도 나노와이어 소자 연구 및 개발이 진행되고 있다.

▲ 나노와이어 - 미국의 선도 기관.

■ 해외 동향-유럽

◇ 연구개발 현황

유럽연합은 2000년 초부터 나노기술분야를 프레임워크 프로그램의 전략적인 연구개발 부문으로 선정·지원하고 있으며, 총예산 505억2,000만유로에 달하는 제 7차 프레임워크(2007~2013) 프로그램에서 나노분야 투자액은 제6차 프로그램 대비 2배 이상 증가한 34억6,700만유로에 달한다.

유럽에서 나노와이어에 대한 연구는 산업화 응용보다는 기초연구 및 새로운 물리적 특성에 관한 연구가 주로 이루어졌다. 특히 꾸준히 기초연구를 수행해 왔기 때문에 기술수준은 세계적인 수준으로 평가된다.

▲ 나노와이어 - 유럽연합의 선도 기관.

■ 해외 동향-중국

◇ 연구개발 현황

중국은 국가자연과학기금위원회(NSFC)가 1980년대 중반부터 나노기술개발을 지원해 왔으나, 2000년 이후 국가차원의 계획이 수립되면서 관련 연구기관이 신설되는 등 본격적으로 나노연구개발을 추진하고 있다.

특히 나노와이어 분야에서 연구 활동이 두드러진다. 나노와이어 분야에서 미국의 논문수가 가장 많으나 미국 논문의 저자에는 중국 과학자들이 상당 수 포함돼 있다는 사실에 주목할 필요가 있다. 이는 모든 지적 재산을 중국인들이 공유하고 있음을 의미하고 있는 것이다. 중국 내에서 자체적으로 수행하고 있는 나노기술의 전반적인 연구 활동을 종합적으로 고려해 볼 때 나노와이어 기술에서 중국의 기술수준은 미국·유럽에 뒤지지 않은 것으로 판단된다.

▲ 나노와이어 - 중국의 선도 기관.

나노와이어 세계 시장 2014년 9억7,900만불·2020년 17억1,900만불 전망

韓, 특허 괴물 피하기 위한 원천 기술개발 시급, 산업체 공동·협동 연구 必

■ 국내 동향

◇ 연구개발 현황

2001년 ‘제1기 나노기술종합발전계획’을 수립하면서 본격적으로 나노기술 정책이 추진됐으며, 2002년에는 ‘나노기술개발 촉진법’을 제정해 나노기술연구개발에 관한 법적 지원체제를 정립하는 등 나노기술개발을 적극적으로 추진하고 있다.

국내에서 테라급 나노소자 개발 사업을 시작으로 5~10년 내에 직면할 반도체 소자 기술의 한계를 극복할 수 있는 나노소자 기술이 연구되고 있다. 나노와이어 합성과 특성 평가는 대학과 연구소 중심으로 진행되고 있다.

또한 나노와이어 집적 소자 기술은 나노와이어에 대한 과학적 발견을 배열과 소자 기술을 통해 차세대 NT-IT-BT 시장으로 진입시키는 산업화 가교 기반 기술이며, IT-NT-BT-ET 분야의 신규 시장을 창출할 것으로 기대된다.

▲ 나노와이어 - 국내의 선도 기관 .

◇ 기술경쟁력분석

국내 대학과 연구소는 Bottom-up 방식에 의한 나노선 성장 및 변조 기술 분야에서는 높은 기술력을 보유하고 있다. 반면, 나노선 집적 및 소자화 기술에 대한 연구는 시작 단계에 있다.

현재 나노선 기반 소자 구성 기술은 선진국 대비 70% 수준으로 평가된다. 하지만 나노와이어 집적 메모리 소자 기술이 국내의 우수한 CMOS 공정 기술과 연계돼 개발된다면 선진국 대비 경쟁력 우위를 확보할 수 있으며, 국내 반도체 기업의 차세대 메모리 기술 확보에 크게 기여할 것이다.

▲ 나노와이어 기술격차 및 기술수준.

■ 산업 및 시장 동향

◇ 산업동향

나노와이어를 이용한 소자 개발은 현재 전 세계적으로 선택적 배향을 통한 단일 나노선 트랜지스터를 구현하는 수준이며, 다양한 집적 기술에 대한 연구가 실리콘 밸리를 중심으로 활발히 진행 중이다.

하버드 대학은 선택적 수평 배향을 통해 비휘발성 직접 나노선 메모리 소자 가능성을 보고했다. Ge/Si 이종 구조 나노선의 이동도 600cm²/Vs 이상의 뛰어난 전기적 특성을 보여줌으로서 우수한 나노와이어 채널 구성 가능성을 입증했다. Berkeley 대학과 Lund 대학, NASA, IBM 연구소 그룹은 각각 Bottom-up 방식에 의한 나노와이어 배향 성장과 Top-down 방식의 공정 기술을 조합해 단일 실리콘 나노와이어의 수직 트랜지스터를 구현함으로써 3차원 트랜지스터의 가능성을 보여주었다. 또한, Nanosys Inc.는 Intel 등의 지원을 받아 메모리 시제품에의 적용 연구를 진행하고 있다.

국내에서 나노선 합성과 특성 평가는 연세대·서울대· 포스텍·KAIST 등에서 연구가 진행되고 있다.

전체적으로 나노와이어 소자에 대한 국내외의 연구는 IBM, HP와 같이 소수의 연구그룹을 제외하고는 나노와이어 성장 및 합성 연구에 주력했다. 최근에는 점차 나노와이어의 도핑, 기능화, 3차원 소자화 분야로 연구의 중심이 옮겨가고 있다.

▲ 국내외 나노와이어 연구 기술 개발.

◇ 시장규모 및 전망

나노와이어 집적 소자기술은 향후 트랜지스터·메모리·유연소자·바이오소자 등 다양한 분야에 적용될 차세대 전자소자 및 소자 공정 기술이다. 이 기술을 접목한 소자는 향후 5년 이내에 국내뿐만 아니라 글로벌 시장을 창출하며, 그 이후 전자 및 융합소자 시장의 주력 제품으로 성장할 것으로 예상된다.

▲ 나노와이어 - 세계 시장규모(단위: 백만달러).

■ 미래의 연구방향 및 국내 산업이 나아갈 방향

◇ 미래의 연구방향

나노 반도체 소자 개발에서 나타난 기존 방법의 한계를 극복할 수 있는 방안인 나노와이어는 핵심적인 위치를 차지하기 때문에 국가적 기술 수요가 크다. 따라서 차세대 성장 동력 사업의 차세대 메모리, 중점육성 기술 분야에서 나노급 소재 공정 기술, 국가 기술 로드맵에서 나노선 공정과 나노 전자소자, 국가 전략 기술의 일차원 나노구조 소자 등에서 연구가 활발히 진행될 것으로 예상된다.

나노와이어 집적 소자 기술은 우수한 일차원 채널을 기반으로 3차원 트랜지스터 및 메모리를 간단한 공정으로 제공할 수 있기 때문에 비휘발성 메모리, 로직 및 CPU 분야의 3차원 트랜지스터 메모리 기술에 새로운 패러다임을 마련할 수 있다. 또한 Bottom-up 방식과 Top-down 방식을 조합한 융합 소자 공정으로 IT·NT·BT·ET 분야의 나노소재 산업화 기술 개발에 선도적 역할을 기대할 수 있다.

나노와이어 집적 기술은, 현재 2차원 CMOS 소자가 거의 모든 전자 제품의 기본 플랫폼으로 사용되듯이, 나노 규모 전자소자는 물론이고 에너지·바이오 등 여러 분야에 적용이 가능하기 때문에 전 세계적으로 원천 기술을 확보하기 위한 투자가 더욱 가속화 될 것으로 예상된다.

▲ 나노와이어 응용 기술 분야.

◇ 국내 산업이 나아갈 방향

○ 원천·핵심 기술 연구 프로그램 필요

나노 소자를 개발하기 위한 기반기술들은 성숙된 기술이 아닌 초기 단계의 기술이다. 특히 기반 및 응용기술에 대한 특허출원에 의한 기술 선점이 활발히 진행되지만 시장 창출을 위한 핵심기술은 아직 공개되지 않고 있다.

나노와이어에 대한 특허는 미국의 Nanosys가 300개에 달하는 특허를 전략적으로 확보하고 있기 때문에 도입이 어려울 것으로 판단된다. 이에 대한 국가적 대응을 위해서는 원천·핵심기술연구 투자를 통해 원천기술을 확보해 나가야 한다.

○ 산업체 및 정부 지원 제도의 탄력적 운영 필요

반도체 나노와이어의 배열 및 소자화 기술이 개발될 경우 산업화를 위한 기반기술이 갖추어지기 때문에 경제성이 충분할 것으로 예상된다. 따라서 산업체는 공동 및 협동 연구로 참여하고, 이후 기술 이전에 의한 제품화 연구를 주도해야 한다. 또한 정부는 획일적으로 적용되고 있는 연구개발의 기업 부담금 및 기술료 제도의 탄력적 운영이 필요하다.