♤♠ 세계최초, 원자반도체. 인류역사상 마지막 집적기술될 기술. 한국이 개발. 미국 , 일본 놀라 자빠졌다.

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•2020. 7. 3.

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세계최초, 원자반도체 삼성미래기술육성사업, 과학기술정보통신부 지원. 한국 반도체산업에 또 한번 획기적으로 도약할 수 있는 연구가 발표되었습니다.

 

삼성미래기술육성사업과 과학기술정보통신부가 지원한 울산과학기술원(UNIST)에 있는 에너지 및 화학공학부 이준희 교수 연구팀이, 차세대 메모리반도체의 집적도를 1000배 이상 향상 시킬 수 있는 이론과 소재를 발표했습니다.

 

연구팀은 반도체 공정에 널리 쓰이는 소재를 활용해, 원자 4개에 1비트(bit)의 정보를 저장하는데, 손톱 크기에는 무려 500TB(테라바이트)를 저장할 수 있습니다.

 

이를 통해 이론상 한계치에 해당하는 고집적 반도체 구현 가능성을 제시했습니다. 테라바이트(TB)는 기억 용량을 나타내는 정보량의 단위입니다. 1테라바이트는 1천24기가바이트(GB)에 해당하며, 대략 HD급 고화질 영화 125편을 저장할 수 있습니다.

 

이 연구 결과는, 1비트를 원자 간 간격 정도인 0.5㎚(나노미터:10억분의 1ｍ)에 저장하는 기술인데, 반도체 집적도를 현재보다 1천배 높일 수 있음을 의미하는 것으로 후속 연구를 통해 실증화와 상용화가 이뤄지면 반도체 산업 패러다임을 바꿀 가능성이 있다는 평가를 받습니다.

 

울산과기원(UNIST)에 있는 에너지 및 화학공학부 이준희 교수팀은 3일 국제학술지 '사이언스'(Science)에서 반도체에 널리 사용되는 산화하프늄(HfO₂)에 전기를 가할 때 나타나는 원자간 상호작용이 사라지는 새로운 현상을 발견하고, 이를 활용해 산소 원자 4개에 1비트를 저장할 수 있음을 입증했다고 밝혔습니다.

 

현재 실리콘 기반 반도체는 소형화와 집적화 한계에 직면했습니다. 1비트 저장에 원자 수천개 이상이 결합한 수십에서 수백㎚ 크기의 '도메인'(domain)이 필요합니다.

 

이 때문에 메모리 소자의 단위셀 크기는 10㎚ 수준에서 멈춘 상태입니다. 단위셀 크기를 더 줄이기 어려운 것은 반도체 공정이 수십 나노미터 이하로 내려가면 정보 저장·처리 등 반도체 물질의 능력이 약해지다가 모두 사라지는 '스케일 현상'(scale)이 발생하기 때문입니다.

 

이 교수팀은 반도체 트랜지스터의 게이트 전압 전극물질로 사용되는 산화하프늄에 전압을 걸면, 원자들을 스프링처럼 강하게 묶던 상호작용이 완전히 사라지는 새로운 물리현상을 발견하고, 이를 메모리 반도체에 적용해 집적도를 천배나 향상할 수 있음을 입증했습니다.

 

원자 간 상호작용이 특정 조건에서 완전히 사라지는 것은 소위 '평평한 에너지띠'(flat energy band)라는 물리학 이론으로 예측되는 현상인데, 연구팀이 산화하프늄에 전압을 걸면 실제 이 현상이 일어난다는 것을 처음으로 발견한 것입니다. 원자 사이에는 스프링처럼 연결된 탄성 작용 때문에 수천개가 같이 움직이는데, 전압을 건 산화하프늄에서는 이런 상호작용이 사라져 산소 원자 4개를 한 묶음으로 개별 제어할 수 있습니다.

 

이 교수팀은 산화하프늄 안에 있는 산소 원자 4개씩을 개별적으로 스위칭해, 메모리 소재로 응용할 수 있음을 증명한 것입니다. 산소 원자 4개가 위쪽으로 움직이면 0이 되고, 아래쪽으로 움직이면 1이 되는 식입니다. 이는 전기를 끊어도 그대로 유지되어서 비휘발성 메모리로 사용할 수 있습니다.

 

이는 정보저장에 원자 수천개 이상이 모인 수십㎚ 크기의 도메인이 필요하다는 기존 이론과 달리, 도메인 없이 0.5㎚ 원자4개묶음에 정보를 저장하는 게 가능하다는 것을 의미합니다. 연구팀은 이 결과를 적용하면 원자에 직접 정보를 저장할 수 있고, 기존 메모리 소재로는 불가능하다고 여겨졌던, 작은 반도체도 만들 수 있고, 초집적·초절전 인공지능 반도체 구현도 가능할 것으로 전망하고 있습니다.

 

특히 산화하프늄은 기존 실리콘 반도체 공정에서 이미 흔하게 사용되는 물질이어서 상업화 적용 가능성이 높고 파급력도 클 것으로 기대하고 있습니다. 연구팀은 이 연구 결과를 반도체에 적용하는 기술에 대한 특허를 출원하고 기업들과 후속 연구를 추진하고 있습니다.

 

이준희 교수는 "이 연구는 향후 초집적 반도체 분야에 세계적 경쟁력을 확보하는데 중요한 기반이 될 수 있는 이론을 제시한 것"이라며 "개별 원자에 정보를 저장하는 기술은 원자를 쪼개지 않는 한 현 반도체 산업의 마지막 집적저장 기술이 될 확률이 높다"고 말했습니다.

 

이상으로 차세대 메모리의 반도체 집적도를 1000배이상 향상시킬 수 있는 이론과 소재를 찾아냈다는 소식을 전해드렸습니다. 시청해주셔서 감사합니다. 트렌드연구소였습니다.

 

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