You cannot see this page without javascript.

Home | Login | ENGLISH

□  GIST(광주과학기술원, 총장 문승현) 신소재공학부 김봉중 교수팀은 캘리포니아 공대 줄리아 그리어(Julia Greer)교수팀과 함께 반도체 집적소자의 정보처리속도를 향상 시키면서 전력 손실을 줄이는데 필요한 가볍고, 강하며,유연한, 그리고 전기적, 열적으로 안정적인 초저유전, 슈퍼-절연체를 개발하였다.

       * 저 유전 유전체(low-k dielectric) : 일반적으로 4이하의 낮은 유전 상수(dielectric constant, 전하 사이에 전기장이 작용할 때 그 전하 사이의 매질이 전기장에 미치는 영향을 나타내는 물리적 단위) 값을 가진 물질.

□  저 유전 상수를 가진 물질의 개발은 컴퓨터 프로세싱, 무선통신, 자율주행차 등 고효율 마이크로 전자기기의 응용분야에 핵심적인 역할을 수행함으로써 최근 중요한 연구주제로 각광받고 있다.

∘ 반도체소자의 배선 사이에 사용되는 저 유전 물질의 유전상수 값을 낮추는 것은 반도체 소자의 집적화로 인해 생기는 저항-캐퍼시턴스 지연(RC delay*)을 완화시키고, 전력 소비와 배선 간 신호의 혼선(Cross-talk*)을 줄인다. 또한 저 유전 특성은 멀티 칩 모듈 기술과 마이크로파 통신 산업을 위한 3D 회로에서, 인덕터,커패시터, 저항과 같은 수동소자의 직접화에 있어서 핵심요소이다. 특히 안테나와 RF모듈에서는 표면파의 전파를 막고, 주파수 범위를 증가시키기 위해 저 유전 물질의 기판을 필요로 한다. 더 나아가 저유전율 구조는우주선과 항공기, 그리고 수소자동차 등 고전압을 사용하는 시스템에서 절연 및 단열 목적으로 활용될 것으로 주목을 받고 있다.

        * RC delay : 저항과 콘덴서로 구성된 회로에서 콘덴서를 충 방전시키는 데 걸리는 시간에 의한 지연

        * Cross talk : 대개 어떤 통신 회선의 전기 신호가 다른 통신 회선과 전자기적으로 결합하여 다른 통신 회선의 작동을 간섭하는 현상

□  그러나 저 유전 물질의 중요성에도 불구하고 재료 개발이 늦어지고 있는 이유는 유전상수가 낮아질수록 다른 요구되는 특성들을 만족시키기 어렵기 때문이다. 실제로 저 유전 물질이 반도체 공정에 적용되기 위해서는 낮은 유전상수 외에도 기계적 강도, 전기적 신뢰성, 열적 안정성들이 모두 만족되어야 한다.

∘ 최근 유전상수를 낮추기 위해 다공성 구조를 도입하는 것이 해결책으로 여겨지고 있다. 즉 다공성이 증가할수록 재료의 유전상수는 공기층의 낮은 유전율(약 1.0)로 인해 감소한다. 그러나 이러한 저밀도 구조에서는 단단한 무기물질을 활용하여 기공의 밀도, 크기, 분포를 제어하는 것이 어려워, 기계적 강도 및 연성, 열적 안정성,그리고 전기적인 신뢰성이 매우 취약하다. 이러한 문제 때문에 지금까지 (1) MHz의 주파수 범위에서 유전상수가 1.45보다 낮은 재료를 제작하지 못했고, (2) 이러한 초저유전율 영역(k < 1.5)에서 재료의 다양한 특성을 연구한 사례는 전무한 실정이었다.

□  유전율을 공기의 수준으로 낮추면서 필요한 물성을 확보하기 위하여, 공동 연구팀은 정교한 삼차원 레이저 식각(3D laser printing)과 ALD(원자층 증착)기술을 이용하여, 세라믹 나노튜브가 단위 셀 형태로 규칙적으로 배열된 3차원-나노라티스(3D-nanolattice) 구조를 적용시키는데 성공했다. 특히, 이러한 나노라티스 구조의 윗면과 아랫면에 전극을 증착 할 수 있는 평면층을 도입하여 유전율과 그 밖의 다른 물리적 특성을 정량화 할 수 있었다.

∘ 제작된 3차원 나노라티스 커패시터는 전체 부피의 약 99% 공기로 이루어져 있어 1.06-1.10(1 MHz에서 측정)의 초저유전율을 보였다. 기계적 특성은 30 MPa의 Young’s modulus*와 1.07 MPa의 Yield strength*, 그리고 50%이상의 압축 변형 후에도 완전히 구조가 복원되는 우수한 연성을 보였다. 열적안정성은800oC까지 TCK가 2.43 × 10-5 K-1로 거의 무시할 수고, 넓은 주파수(105~106 Hz), 전압(-20V~20V), 온도(상온~섭씨 800도)범위에서 dielectric loss 값은 0.01 ~ 0.1로 매우 낮은 수준이었다.

       * Young’s modulus : 물체를 양쪽에서 잡아 인장 또는 압축 시킬 때 물체의 길이의 변화율과 인가된 응력의 비율로서 재료의 영구변형이 없는 탄성 변형구간의 강도를 의미.

       * Yield strength : 재료가 영구 변형을 나타낼때의 응력으로, 탄성한계의 실제적인 근사값.

□   이번에 개발된 저 유전체의 성능은 그 동안 학계나 유수한 반도체 및 화학회사들 뿐만 아니라 미국 NASA에서 개발 중인 것보다 물성이 월등히 뛰어나고, 기계적 강도 측면에서는 이들과 거의 100배나 우수하게 나타났다.

□   김봉중 교수는 “이번 연구결과는 마이크로 전자기기의 응용분야에서 활용되는 저 유전 물질 연구 분야에 최초로세라믹 3D 나노라티스 구조가 성공적으로 적용된 연구로써, 초저유전 물질의 강도 및 전기적 그리고 열적 특성을 총체적으로 개선한 획기적 사례”라고 말했다.

□   이 연구는 광주과학기술원의 Caltech-GIST Research Collaboration grant로 수행되었으며, 이 연구 성과는 나노분야 권위지인 나노 레터스(Nano Letters) 11월 7일자에 온라인 게재되었다. <끝>    

 

그림1.jpg

 

- 논문명 :   Enabling Simultaneous Extreme Ultra Low-k in Stiff, Resilient, and Thermally Stable Nano-Architected Materials

- 저자 정보 :   교신저자 : 김봉중 교수 (GIST 신소재공학과), 공동 교신저자 : Julia R. greer 교수 (Caltech), 공동 제1저자 : 김민우 박사과정 (GIST 신소재공학과), 공동 제1저자 : Max L. Lifson (Caltech)

번호 제목 글쓴이 날짜 조회 수
» 김봉중 교수 공동연구팀, 가볍고 강하고 유연하며 고온에서 안정적인 3D 나노구조 수퍼 절연체 개발 관리자 2017.11.16 10
공지 권인찬 교수팀, 할로윈파티를 간편하게 즐길 수 있는 분장 가능한 인조피부 개발 관리자 2017.11.01 18
공지 윤명한 교수팀, 수직형 나노기둥 구조 위의 중추신경세포의 발달 촉진 원리 규명 관리자 2017.11.01 10
공지 [공지사항] "연구성과" 게시판에는 논문(IF 5.0 이상 주저)과 교수 및 학생 포상 실적이 공지됩니다. 관리자 2015.06.18 712
68 이상한 교수팀, 나노박막 이용해 수소생산용 고품질 단결정 광전극 최초 제작 file 관리자 2017.09.04 45
67 이상한 교수팀, 물을 분해하여 수소 만드는 새로운 접근법 제시 file 관리자 2017.07.04 91
66 [학생수상] 황영규 - 한국공업화학회, 2017년 춘계 학술대회, 우수논문상 관리자 2017.06.21 74
65 윤명한 교수팀, 서울대 홍병희 교수팀과 공동연구로 세계 최초 인공뇌구조 모사 가능 3차원 구조체 합성 file 관리자 2017.05.25 179
64 [NEWS] 이광희 교수팀, 차세대 태양전지 면적 10배 이상 더 커진다 file 관리자 2017.05.10 122
63 GIST 이광희 교수팀, 페로브스카이트 태양전지의 신뢰성을 높이는 신규 소자 구조 개발 관리자 2017.04.25 282
62 권인찬 교수팀, 통풍치료의 새로운 가능성 발견 file 관리자 2017.03.22 605
61 [학생수상] 이종민 - 한국초전도·저온학술연합회, 우수논문상 관리자 2017.02.23 1192
60 조지영 교수팀, 백금 대체할 새로운 산소환원반응 촉매 개발 관리자 2017.02.09 1102
59 英 과학기술 매체 Phys.org, 이광희 교수팀 연구 성과 특집 보도 관리자 2017.01.24 1397
58 [보도자료] 엄광섭 교수, 전기차 주행거리 2배 늘릴 리튬이온 배터리 개발 관리자 2017.01.11 1305
57 [보도자료] 이광희 교수팀, 자유롭게 휘어지는 그물망 반도체 최초 개발 관리자 2016.12.08 429
56 [보도자료] 정건영 교수팀, 곡률반경 1.5㎜로 접을 수 있는 무기물 기반 트랜지스터 개발 관리자 2016.11.29 822
55 [보도자료] 박성주 교수팀, 사물인터넷 성능 개선시킬 고효율 광검출기 개발 관리자 2016.11.28 356
54 김동유 교수팀, 페로브스카이트 단점 없앤 대면적의 유연한 태양전지 제작 관리자 2016.11.28 441
53 [보도자료] 윤명한 교수팀, ‘나노숲’ 이용한 저온 수소 생성 시스템 개발 관리자 2016.09.28 252
52 [보도자료] 이재석 교수팀, 금속의 주요결정구조를 갖는 전도성 플라스틱 개발 관리자 2016.09.26 310