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기존 반도체의 한계를 넘어…4차 산업혁명 앞당길 신소재신화물 반도체와 첨단 세라믹
신현우 기자  |  gc5994@daum.net
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승인 2019.05.07  17:05:48
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우리나라의 전 세계 반도체 생산 점유율은 38.7%로 세계 2위(1위: 미국)다. 이처럼 한국 경제의 버팀목 역할을 하는 반도체가 4차 산업혁명시대에 맞게 발전하고 있다. 기존의 반도체에 금속산화물을 추가한 산화물 반도체라는 기술이 생기고 그에 따른 첨단 세라믹 역시 중요해져 많은 각광을 받고 있다. 산화물 반도체와 첨단 세라믹에 대해 알아보자.

 

   
 

금속에 따라 달라지는 산화물 반도체
 산화물 반도체는 금속 산화물로 만들어진 반도체를 말한다. 금속의 종류에 따라 다양한 반도체가 만들어진다. 서미스터의 경우에는 일반적인 금속과는 달리 온도가 올라갈수록 저항이 감소하는 전기적 성질을 이용해 열적 신호를 전기적 신호로 바꿔 주는 여러 가지 센서의 역할을 한다. 광도전체의 경우 어두운 곳에서는 절연체에 가깝고 빛이 닿았을 때만 도전성을 나타내는 특성을 이용해 빛의 검출기나 릴레이 등으로서 계측·제어에 사용된다. 대표적인 것은 황화카드뮴(CdS)이다. 황화카드뮴은 박막 또는 작은 단결정으로 하여 사용하며, 파장에 대해 시감도와 거의 같은 특성이 얻어진다. 다른 용도로서는 전자 사진에 셀렌(Se)이나 산화아연(ZnO)이, 비디콘에 삼황화안티몬(Sb2S3) 등이 쓰인다.

 

세상에서 가장 얇은 반도체
 최근 국내 연구진이 세상에서 가장 얇은 산화물 반도체를 만드는 데 성공했다. 이것은 투명한 전자기기나 초소형 센서 등에 사용되는 반도체로 그래핀 위에 산화아연을 원자 1층 수준으로 성장시켜 2차원, 3차원 반도체를 만들었다. 기존의 그래핀은 열과 전기가 가장 잘 통하는 물질이지만 전기가 흐르지 않는 영역인 밴드 갭이 없어 반도체로 활용하기 어려웠다. 그래서 그래핀 위에 밴드 갭이 있는 산화의 원을 성장시키는 방법으로 전기가 흐르게 또는 흐르지 않게 하는 반도체를 만들었다. 이 반도체는 두께 2nm로 5~10nm에 달하는 기존 반도체보다 훨씬 얇아서 다른 반도체보다 더 투명하고 휘어지는 특성을 가지고 있다. 따라서 4차 산업혁명시대에 더욱 유용하게 쓰일 것이다.

 

다양한 분야에 사용되는 첨단 세라믹
 세라믹은 고온에서 구워 만든 비금속 무기질 고체이다. 금속산화물을 비롯해 탄소·질소·붕소 화합물로서 돌과 같은 화학성분을 가지고 있어 경도·강도·내열성이 우수하다. 그리고 전기전도와 열전도, 자기적 특성을 화합물 성분 비율을 통해 조절이 가능하다. 첨단 세라믹은 기존 세라믹의 단점을 보완해 특수 기능을 발현시킨 세라믹으로 환경, 전자, 바이오, 항공 우주, 에너지 등의 다양한 분야에서 사용된다.
에너지 분야에서는 전기자동차의 배터리인 이차전지로 양극·음극 세라믹 소재를 결합해 활용한다. 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환시켜 외부의 회로에 전원을 공급하기도 하고, 방전됐을 때 외부 전원을 공급받아 전기적 에너지를 화학적 에너지로 바꿔 전기를 저장할 수 있는 전지로써 기존의 화학 소재보다 짧은 충전시간, 높은 주행 성능을 가진다.
α-산화알루미늄은 주로 알루미늄의 제조 원료인데, 일반적으로 융해해 석출시킨 결정은 굳기가 단단하고 굴절률이 1.76·1.77이며, 인조보석·연마제로도 사용된다. 결정성이 나쁜 것은 탈수촉매로서의 작용이 강해 촉매로 활용하고 결정화하지 않은 산화알루미늄은 제산제·흡착제로 사용된다.
바이오 분야에서는 생체 친화적이고 부식에 강한 고부가가치 소재인 융합 바이오세라믹을 사용한다. 우리 몸의 면역체계는 외부물질이 들어오면 파괴하는 특성을 가진다. 하지만 다공성으로 처리된 바이오세라믹은 인체의 뼈와 유사해 생체 거부반응을 줄일 수 있다. 생체 세포는 세라믹을 뼈로 인식해 원래 뼈와 결합될 수 있게 한다. 또한 첨단 세라믹의 뛰어난 재생과 결합력으로 뼈·치아의 대체재로 활용된다.

 

첨단세라믹을 이용한 바이오산업
 대웅제약 계열사인 시지바이오는 뼈 형성을 촉진하는 단백질이 접목된 융합 바이오세라믹 소재 제품 노보시스를 개발했다. 그리고 셀루메드 업체는 3D 프린팅 기술을 활용해 뼈의 주원료인 칼슘의 함량을 70% 이상 향상시킨 소재로 식약처 허가를 획득했다.
신속한 질병 진단을 위해 생체분자를 찾아 분리하는 소재가 필요했고 많은 양의 생체분자를 빠르게 분리하고 선별해 치료해야 했다. 이에 첨단 세라믹을 이용함으로써 진단 시간 단축과 정확한 진단이 가능해졌다. 실제로 한국세라믹기술원 융합 바이오세라믹센터는 다공성 자성 세라믹 소재를 활용해 조류독감을 훨씬 효율적으로 진단할 수 있는 기술을 구현했다.
기존 소재는 진단 정확도가 70~80% 수준이었지만, 다공성 자성 세라믹 소재는 정확도를 95%까지 향상시켰다. 또 원심분리 등의 부가 공정 없이 자석으로 쉽게 미생물을 추출해 진단 시간을 종전의 3일에서 30분으로 크게 단축시켰다.
이처럼 산화물 반도체가 다양한 분야에서 차지하는 비중은 점차 커질 것이다. 앞으로의 4차 산업혁명시대에 산화물 반도체의 활용 범위 확대에 주목하면서 산화물 반도체의 핵심인 첨단 세라믹 또한 눈여겨볼 필요가 있다.

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