제목: ‘과학자들, 석탄을 혁신적인 전자 기기로 변화시키는 방법을 찾다’
이미 탄소 배출로 인한 기후 변화의 공표적인 원인으로 여겨진 석탄이 있다.
하지만 이제 일리노이 어바나임 나지오널 에너지 기술 연구소와 오크릿지 국립 연구소, 대만 반도체 제조사와 함께하는 연구팀은 이러한 인식을 바꿀 방법을 찾아냈다.
그들은 석탄을 통해 뛰어난 전자 기기를 만들기 위한 혁신적인 용도를 발견했다.
일리노이 대학의 재료 과학 전문가인 청 차오 교수는 석탄은 종종 부피가 크고 오염에 연관됐다고 설명했다. 하지만 석탄은 매우 가늘고 고품질의 물질로 가공될 수 있다고 덧붙였다.
이러한 물질은 현재의 기술보다 더 나은 작은 전자 기기를 만드는 데 적합하다.
나지오널 에너지 기술 연구소는 석탄을 작은 탄소 점으로 변환하는 공정을 개발했다.
이러한 점들은 이어져 얇은 막을 형성하는 데 유용하며, 이는 2차원 트랜지스터와 멤리스터를 만들어낼 수 있는 중요한 구성 요소다. 매체인 통신 공학에 보도되었다.
더 작고 빠른 전자 기기를 구축하기 위한 최종 목표는 원자 두 개나 세 개의 두께 밖에 없는 장치를 만드는 것이다.
이러한 작은 장치는 빠르게 작동하며 더 적은 에너지를 소비한다. 얇은 박막 반도체는 잘 연구되어왔지만, 효과적인 전자 기기를 만들기 위해서는 전기를 차단하는 재료인 얇은 절연체도 필요하다.
연구팀은 석탄에서 만든 비정질 탄소의 원자 두께로 2차원 전자 기기에 적합한 절연체임을 알아냈다.
일리노이 대학의 청 교수의 그룹은 이러한 특성을 보여주기 위해 두 가지 유형의 2차원 기기를 만들었다.
청 교수는 석탄이 일반적으로 저테크로 여겨지는데도 이제 첨단 마이크로전자와 관련되어 있음에 흥미롭다고 말했다.
그의 팀은 석탄으로부터 유래한 탄소 층을 그래핀이나 모리브덴 이황화물로 만들어 2차원 트랜지스터의 게이트 절연체로 사용했다. 이 결과, 작동 속도가 2배 이상 빨라지고 에너지 소비가 줄어드는 장치가 만들어졌다.
이 석탄으로 유래한 탄소 층에는 전자가 결합되지 않아 트랜지스터의 속도를 늦출 수 있는 연결되지 않은 전자들이 없다.
또한, 다른 얇은 재료와 달리 이러한 탄소 층은 규칙적인 결정 구조를 가지고 있지 않다. 이는 불필요한 전기 흐름이 발생할 수 있는 누설 경계가 없으므로 더 효율적인 장치를 만들 수 있다.
연구팀이 고려한 또 다른 응용 분야는 멤리스터다. 이는 데이터를 저장하고 처리하는 전자 부품으로 인공지능 기술을 크게 향상시킨다.
연구자들은 석탄로 유래한 초박형 탄소 층을 절연체로 사용하면 에너지 소비가 적은 전도 필라멘트가 빠르게 형성된다고 알아냈다.
이는 장치의 속도와 전력 효율성을 향상시킨다. 석탄으로 만들어진 탄소의 독특한 구조는 필라멘트를 제한해 데이터 저장 정확도와 신뢰성을 향상시킨다.
다음 단계는 이 석탄 기반의 탄소 절연체를 산업 생산을 위해 확대하는 것이다. 대만을 포함한 반도체 산업은 2차원 기기의 잠재력에 매우 관심을 가지고 있다.
다가오는 몇 년 동안 일리노이 대학은 나지오널 에너지 기술 연구소와 협력하여 이 석탄 유래 물질의 생산 공정을 개발할 것이며, 이를 통해 석탄을 고급 기술에 환경 친화적으로 활용하는 길을 열 것이다.