이준희 교수, '원자' 반도체로 메모리 용량 1000배 높인다
이준희 교수, '원자' 반도체로 메모리 용량 1000배 높인다
  • 구교현 기자
  • 승인 2020.07.03 12:30
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기존 반도체는 스케일링 현상으로 크기가 작아지면 물성이 약해지다가 사라져 버린다. (왼쪽) 반도체 원자 메모리의 경우 원자들이 개별적으로 움직이는 점에서 독립적인 피아노 건반과 비슷하다. 동일한 공간에 수천 개의 개별정보를 저장할 수 있다. (오른쪽) (제공:과학기술정보통신부)
기존 반도체는 스케일링 현상으로 크기가 작아지면 물성이 약해지다가 사라져 버린다. (왼쪽) 반도체 원자 메모리의 경우 원자들이 개별적으로 움직이는 점에서 독립적인 피아노 건반과 비슷하다. 동일한 공간에 수천 개의 개별정보를 저장할 수 있다. (오른쪽) (제공:과학기술정보통신부)

 

3일 과학기술정보통신부와 울산과학기술원(유니스트·UNIST)은 UNIST 에너지 및 화학공학부 이준희 교수팀이 메모리 소자의 집적도를 1000배 이상 높일 수 있는 산화하프늄(HfO2) 활용법을 발견했다고 전했다.

이 연구는 2일(미국 현지시간) 세계적 학술지 '사이언스'(Science)에 게재됐다.

사이언스에 순수 이론 논문이 게재되는 경우는 극히 드문 사례로, 국내 연구팀 단독 교신으로 진행한 이 연구는 이론적 엄밀성과 독창성, 산업적 파급력을 인정 받아 게재됐다.

이준희 교수 연구팀은 '산화하프늄'(HfO₂)이라는 반도체 소재의 산소 원자에 전압을 가하면 원자간 탄성이 사라지는 물리 현상을 새롭게 발견하고, 반도체에 적용해 저장 용량 한계를 돌파하는 데 성공했다.

그간 반도체 업계는 소자의 성능을 향상시키기 위해 미세화를 통해 단위 면적당 집적도를 높여 왔다.

그러나 데이터 저장을 위해서는 탄성으로 연결된 수천 개의 원자 집단인 '도메인'이 반드시 필요해 일정 수준 이하로 크기를 줄일 수 없는 제약사항이 있었다.

반도체 소자가 한계 수준 이하로 작아지면 정보를 저장하는 능력이 사라지는 '스케일링'(Scaling) 현상이 발생하기 때문이다. 이렇게 되면 반도체의 기본 작동 원리인 0과 1을 제대로 구현할 수 없다.

연구팀이 발견한 이 현상을 적용하면 개별 원자를 제어할 수 있고 산소 원자 4개에 데이터(1bit) 저장이 가능해져, 데이터 저장을 위해 수십 nm(나노미터, 10억분의 1m) 크기의 도메인이 필요하다는 업계 통념을 뒤집었다는 평가다.

산화하프늄은 현재 메모리 반도체 공정에서 흔히 사용하는 소재로, 이 현상을 적용할 경우 스마트폰, 태블릿 등 다양한 제품의 메모리 성능을 한층 끌어올릴 수 있어 산업계에 파급이 클 것으로 예상된다.

특히 연구팀은 이번 연구 결과를 적용하면 반도체 소형화시 저장 능력이 사라지는 문제점도 발생하지 않아 현재 10nm 수준에 멈춰 있는 반도체 공정을 0.5nm까지 미세화 할 수 있어 메모리 집적도가 기존 대비 약 1000배 이상 향상될 것으로 예상했다.

이준희 교수는 "개별 원자에 정보를 저장하는 기술은 원자를 쪼개지 않는 범위 내에서 최고의 집적 기술"이라며, "이 기술을 활용하면 반도체 소형화가 더욱 가속화 될 것으로 기대된다"고 밝혔다.


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