재료 과학의 발전으로 인한 전력 설계의 이점 - 탄소
2024. 2. 9
탄소[C]는 필수 원소입니다. 우리는 탄소를 기반으로 하여 삶을 영위하는 생명체입니다. 기체 상태의 CO2 농도는 산소와 함께 지구 온난화에 우리가 미치는 영향을 측정할 수 있는 바로미터입니다. 고체 형태의 순수 탄소는 흑연처럼 부드럽거나 다이아몬드처럼 단단할 수 있습니다. 탄소 섬유는 비행기에서 낚싯대에 이르기까지 수많은 제품의 강화제로 사용됩니다. 방사성 탄소 14C 연대 측정은 고고학에서 필수적인 도구입니다. 이 도구보다 더 영향력이 큰 도구는 상상하기 어렵습니다.
또한, 미래의 전자기기에서는 탄소가 점점 더 중요한 역할을 할 것입니다. 이 짧은 블로그에서는 향후 몇 년 안에 전자기기에 혁명을 불러올 것으로 예상되는 재료 과학의 몇 가지 발전에 대해 알아봅니다.
이러한 WBG의 장점 덕분에 SiC 및 GaN 트랜지스터는 이미 전기 자동차, 태양광 컨버터, IoT 네트워크, 친환경 설계 파워서플라이와 같은 친환경 기술에서 널리 사용되고 있습니다.
카본은 차세대 공정인 울트라 와이드 밴드갭(UWBG) 트랜지스터의 소재로 사용됩니다. UWBG의 경우 SiC 또는 GaN 기판이 아닌 순수 다이아몬드가 사용되며, 순수 다이아몬드는 열 전도성(SiC 대비 4배 더 높음)이 훨씬 높고 항복 전압(GaN 대비 6배 더 높음)이 높으며 SiC 및 GaN과 비교하여 밴드갭 값이 훨씬 넓습니다(표 1).
그림 1: 그래핀의 결정 구조(출처: Wikipedia)
그래핀은 원자 1개 두께의 나노층으로 형성된 2차원 탄소 형태(동소체)로, 원자가 벌집 모양 평면 격자로 배열되어 있습니다. 그리고 거동은 반금속과 유사하며 열과 전기가 평면을 따라 쉽게 흐를 수 있지만 횡 방향으로는 흐르지 않습니다. 벌크 소재인 그래핀은 모든 가시 파장의 빛을 강하게 흡수하지만, 단일 시트에서는 거의 투명합니다. 미시적으로 보자면 그래핀은 각 원자가 3개의 이웃 원자와 각각 이중 결합되어 지구상에서 가장 강한 소재입니다. 이러한 강성으로 인해 전자 이동도가 15,000cm2/Vs(표 1의 값과 비교)로 월등하게 높아 은보다 전기 전도도가 더 우수합니다.
또한, 그래핀은 여러 특이한 전기적 특성이 있으며, 이러한 특성으로 인해 외부 자기장의 영향을 강하게 받아 상온과 극저온(영하 1,000도 이하)에서 모두 잘 작동하는 민감한 홀 효과 센서가 형성되고, 바이오 센서로 사용이 가능한 그래핀 소재 FET(gFET)의 제작에 사용할 수 있습니다.
gFET는 하전된 바이오 분자가 채널 전류에 영향을 미치는 액체 게이트를 사용하므로, 전하 주입 방식이 아닌 이온 기반 방식으로 측정할 수 있습니다. 이를 통해 단백질, 바이오 분자, 핵산 등을 실시간으로 측정할 수 있어 CRISPR 유전자 편집, RNA 약물 연구, 인간과 동식물의 감염성 질환 여부 감지, 암 연구와 같은 첨단 기술을 지원할 수 있습니다.
그래핀의 고유한 전기적 특성을 활용하여 새로운 종류의 전자기기를 개발하기 위한 연구도 계속되고 있습니다. 개발 중인 한 가지 분야는 전자의 각운동량(스핀업 또는 스핀다운)에 정보를 저장할 수 있는 스핀트로닉스입니다. 그래핀의 규칙적인 강성 배열 구조는 기존 RAM에 비해 빠르면서도 전원이 꺼진 경우에도 모든 데이터를 유지하는 상온, 원자 수준의 스핀트로닉스 비휘발성 메모리(NVM)에 이상적인 전달체 재료로 사용될 수 있습니다.
또한, 탄소 나노튜브는 물리적 크기 및/또는 추가 화학적 도핑에 따라 반도체 또는 반금속처럼 거동하도록 배합하는 것이 가능합니다. 이론적으로 탄소 나노튜브는 유사한 크기의 구리 도체에 비해 1,000배 더 많은 전류를 운반할 수 있으며, 원통형 구조로 인해 이러한 전류가 튜브의 측면이 아닌 축을 따라서만 흐르도록 조정할 수 있어 새로운 다양한 종류의 전자기기 개발에 활용될 수 있습니다.
그림 2: 기존 리튬 분말 음극(왼쪽)과 CNT 음극(오른쪽)의 비교. 출처: NAWA Technologies.
현재 탄소 나노튜브는 태양광, 센서, 디스플레이, 스마트 섬유, 에너지 하베스터 등 다양한 용도로 활용되고 있지만, 가장 유망한 개발 분야는 CNT 음극을 활용하는 새로운 유형의 리튬 이온 배터리입니다(그림 2). 기존 리튬이온 배터리는 고속 충전 또는 높은 방전율 조건에서 열팽창 문제가 발생하여 내부 구조가 손상됩니다. 탄소 나노튜브는 기계적 강성이 높아 이러한 열응력을 견딜 수 있으며 성능이 저하되지 않습니다.
이러한 새로운 CNT 음극 배터리는 15분 이내에 10%에서 90%까지 충전할 수 있으며, 기존 배터리에 비해 WH/Kg 에너지 밀도가 2배 더 높습니다. 또한, 800회의 충전/방전 주기 이후에도 원래 용량의 90%가 유지되어, 1,000km 주행 거리가 보편화되고 있는 전기 자동차 주행 혁명을 앞당길 것으로 기대됩니다.
UWBG
탄화규소(SiC) 및 질화갈륨(GaN) 소재 와이드 밴드갭(WBG) 트랜지스터는 이미 전력 스위칭 성능의 급속한 발전을 이끌고 있습니다. 와이드 밴드갭 재료는 기존 실리콘(Si) 소재 MOSFET 전력 트랜지스터에 비해 고유 열 전도성이 훨씬 높고 유전체 항복 전압이 높기 때문에, 성능 등급은 동일하게 유지되지만 더 작고 더 얇은 트랜지스터 기판을 만들 수 있습니다. 또한, 크기가 작아지면 게이트와 단자의 정전용량 및 저항이 감소하므로, 전력 손실이 더 적고 더 신속하고 효율적인 스위칭이 가능해집니다. SiC 트랜지스터는 Si-MOSFET에 비해 더 높은 전압을 처리하며 더 신속하고 효율적으로 스위칭할 수 있는 반면, GaN 기판 기반 HEMT(고전자 이동도 트랜지스터)는 SiC-MOSFET에 비해 훨씬 신속한 스위칭이 가능해 고주파 전자기기에 유용합니다. 신속한 스위칭이 가능하면 다른 유도형 및 정전용량 부품에 필요한 크기가 줄어들어 매우 작고 효율적이며 전력 밀도가 높은 제품을 제작하는 것이 가능합니다.이러한 WBG의 장점 덕분에 SiC 및 GaN 트랜지스터는 이미 전기 자동차, 태양광 컨버터, IoT 네트워크, 친환경 설계 파워서플라이와 같은 친환경 기술에서 널리 사용되고 있습니다.
카본은 차세대 공정인 울트라 와이드 밴드갭(UWBG) 트랜지스터의 소재로 사용됩니다. UWBG의 경우 SiC 또는 GaN 기판이 아닌 순수 다이아몬드가 사용되며, 순수 다이아몬드는 열 전도성(SiC 대비 4배 더 높음)이 훨씬 높고 항복 전압(GaN 대비 6배 더 높음)이 높으며 SiC 및 GaN과 비교하여 밴드갭 값이 훨씬 넓습니다(표 1).
| 속성 | Si | SiC | GaN | 다이아몬드 |
|---|---|---|---|---|
| 밴드갭 (eV) | 1.1 | 3.0 | 3.5 | 5.5 |
| 열전도도 (W/cm K) | 1.5 | 4.9 | 1.3 | 22 |
| 항복 전압 (kV/mm) | 0.3 | 2.5 | 3.3 | 20 |
| 전자 이동도 (cm2/V s) | 1500 | 400 | 2000 | 1060 |
표 1: 실리콘, WBG, UWBG 트랜지스터의 기본 속성 비교
다양한 트랜지스터 기술의 성능은 BFOM(발리가 성능 지수)으로 수치화할 수 있으며, BFOM 값이 클수록 더 우수합니다. 이 지수는 항복 전압 및 전도도와 같은 주요 성능 임계 전기장 값에 따라 달라지므로 비선형적이고, 반도체 밴드갭 전자 전압의 6제곱으로 증가합니다. 그러므로 BFOM 값을 기준으로 Si-MOSFET와 비교하면 WBG 트랜지스터는 약 730배, 탄소 소재 UWBG 트랜지스터는 약 1만 5,625배 더 우수하며, 이를 통해 전 세계 에너지 소비를 오염을 유발하는 화석 연료에서 효율적인 친환경 전기 에너지로 전환하는 데 필수적인 성능의 비약적인 발전이 달성될 것입니다.
그래핀 반도체
그림 1: 그래핀의 결정 구조(출처: Wikipedia)
또한, 그래핀은 여러 특이한 전기적 특성이 있으며, 이러한 특성으로 인해 외부 자기장의 영향을 강하게 받아 상온과 극저온(영하 1,000도 이하)에서 모두 잘 작동하는 민감한 홀 효과 센서가 형성되고, 바이오 센서로 사용이 가능한 그래핀 소재 FET(gFET)의 제작에 사용할 수 있습니다.
gFET는 하전된 바이오 분자가 채널 전류에 영향을 미치는 액체 게이트를 사용하므로, 전하 주입 방식이 아닌 이온 기반 방식으로 측정할 수 있습니다. 이를 통해 단백질, 바이오 분자, 핵산 등을 실시간으로 측정할 수 있어 CRISPR 유전자 편집, RNA 약물 연구, 인간과 동식물의 감염성 질환 여부 감지, 암 연구와 같은 첨단 기술을 지원할 수 있습니다.
그래핀의 고유한 전기적 특성을 활용하여 새로운 종류의 전자기기를 개발하기 위한 연구도 계속되고 있습니다. 개발 중인 한 가지 분야는 전자의 각운동량(스핀업 또는 스핀다운)에 정보를 저장할 수 있는 스핀트로닉스입니다. 그래핀의 규칙적인 강성 배열 구조는 기존 RAM에 비해 빠르면서도 전원이 꺼진 경우에도 모든 데이터를 유지하는 상온, 원자 수준의 스핀트로닉스 비휘발성 메모리(NVM)에 이상적인 전달체 재료로 사용될 수 있습니다.
탄소 나노튜브
그래핀 시트를 원통형에 말아 넣으면 월등한 인장 강도와 열전도 속성을 갖는 나노 구조가 됩니다. 수직 정렬 탄소 나노튜브(CNT)로 제작된 열 인터페이스 물질은 높은 방향성의 열 전도성을 보이므로, 인접 요소를 과도하게 가열하지 않고 전력 전자 장치에서 발생하는 열을 적절한 방열판으로 효율적으로 전달할 수 있습니다. 시험에 따르면, 열 전도율이 약 15W/K였으며, 이는 열 그리스에 비해 약 3배 높은 수치입니다.또한, 탄소 나노튜브는 물리적 크기 및/또는 추가 화학적 도핑에 따라 반도체 또는 반금속처럼 거동하도록 배합하는 것이 가능합니다. 이론적으로 탄소 나노튜브는 유사한 크기의 구리 도체에 비해 1,000배 더 많은 전류를 운반할 수 있으며, 원통형 구조로 인해 이러한 전류가 튜브의 측면이 아닌 축을 따라서만 흐르도록 조정할 수 있어 새로운 다양한 종류의 전자기기 개발에 활용될 수 있습니다.
그림 2: 기존 리튬 분말 음극(왼쪽)과 CNT 음극(오른쪽)의 비교. 출처: NAWA Technologies.
이러한 새로운 CNT 음극 배터리는 15분 이내에 10%에서 90%까지 충전할 수 있으며, 기존 배터리에 비해 WH/Kg 에너지 밀도가 2배 더 높습니다. 또한, 800회의 충전/방전 주기 이후에도 원래 용량의 90%가 유지되어, 1,000km 주행 거리가 보편화되고 있는 전기 자동차 주행 혁명을 앞당길 것으로 기대됩니다.
용도
