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UNIST 이준희 교수팀, 반도체 메모리 용량 1,000배 향상시킬 원리 제시

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[이철호 기자]
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이준희 UNIST(울산과학기술원) 에너지 및 화학공학부 교수.

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[smartPC사랑=이철호 기자] 국내 연구진이 메모리 소재의 용량을 획기적으로 향상시킬 수 있는 연구 결과를 발표했다. 메모리 반도체 집적도 향상을 통해 다양한 IT기기의 메모리 성능이 향상되며 데이터센터의 효율도 개선될 것으로 기대된다.
울산과학기술원(UNIST, 총장: 이용훈) 에너지 및 화학공학부 이준희 교수팀은 메모리 반도체의 집적도를 1,000배 이상 향상시킬 수 있는 이론과 소재를 발표했다. 삼성미래기술육성사업의 지원을 받은 이 연구는 2일(현지시간) 세계적인 학술지 '사이언스(Science)'에 게재됐다.
반도체 업계는 소자의 성능을 향상시키기 위해 미세화를 통해 단위 면적당 집적도를 높여 왔다. 그러나 데이터 저장을 위해서는 탄성으로 연결된 수천 개의 원자 집단인 '도메인(Domain)'이 반드시 필요해 일정 수준 이하로 크기를 줄일 수 없는 제약사항이 있었다. 이는 반도체 소자가 한계 수준 이하로 작아지면 정보를 저장하는 능력이 사라지는 '스케일링(Scaling)' 현상이 발생해 반도체의 기본 작동 원리인 0과 1을 제대로 구현할 수 없기 때문이다.
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연구팀이 제시한 단일 원자에 데이터를 저장하는 메모리(오른쪽)와 수천 개의 원자 집단인 도메인을 사용해 데이터를 저장하는 메모리 비교(왼쪽) 기존 메모리는 원자간 탄성 작용으로 수십 나노미터 크기의 도메인을 이용해 1비트를 저장하지만, 연구팀이 제시한 현상을 활용하면 전압을 걸 때 원자 간 탄성 작용이 소멸돼 개별 원자에 데이터 저장이 가능하다.

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연구팀이 제시한 단일 원자에 데이터를 저장하는 메모리(위)와 수천 개의 원자 집단인 도메인을 사용해 데이터를 저장하는 메모리 비교(아래) 기존 메모리는 원자간 탄성 작용으로 수십 나노미터 크기의 도메인을 이용해 1비트를 저장하지만, 연구팀이 제시한 현상을 활용하면 전압을 걸 때 원자 간 탄성 작용이 소멸돼 개별 원자에 데이터 저장이 가능하다.

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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. 이 현상을 적용하면 개별 원자를 제어할 수 있고 산소 원자 4개에 데이터(1bit) 저장이 가능해져, 데이터 저장을 위해 수십 nm(나노미터) 크기의 도메인이 필요하다는 업계 통념을 뒤집었다.
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. 또한, 축구장 면적의 몇백 배 규모에 달하는 데이터센터의 효율도 상승해 데이터센터의 크기도 크게 줄어들 것으로 기대된다.
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 1,000배 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 가속화될 것으로 기대된다"라고 말했다.
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