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방사선에도 문제없는 초저에너지 메모리 최초 개발
지상에서 잘 동작하던 반도체 메모리가 우주나 비행기 안에서 갑자기 오동작을 일으키는 일이 있는데, 이는 고고도에 존재하는 방사선 때문이다. 이 뿐만 아니라, 최근 자율 주행 운송 수단과 같이 사람의 안전이 중요한 장치에 사용되는 반도체 메모리도 대기 방사선에 의해 오동작할 확률이 있다는 연구 결과들이 보고되면서 방사선에 대해 높은 안정성을 갖는 메모리 소자의 중요성이 점차 증가하고 있다.
우리 대학 전기및전자공학부 윤준보 교수 연구팀이 나노종합기술원(원장 이조원) 강민호 박사와의 협업을 통해 우주 부품 수준의 내방사선 특성을 가지면서도 일반적인 비휘발성 플래시 메모리보다 30,000배 이상 프로그래밍 에너지가 낮은 나노 전자 기계식 비휘발성 메모리 소자를 세계 최초로 개발했다고 28일 밝혔다.
전기및전자공학부 이용복 박사과정이 제1 저자로 수행한 이번 연구는 저명 국제 학술지 `네이처 커뮤니케이션즈 (Nature Communications)' 2023년 1월호에 출판됐다. (논문명: Sub-10 fJ/bit radiation-hard nanoelectromechanical non-volatile memory). (Impact Factor : 17.690). (https://www.nature.com/articles/s41467-023-36076-0)
반도체 메모리 소자들은 동작 원리상 근본적으로 방사선에 취약해, 이를 보완하기 위해서는 복잡한 회로나 추가적인 데이터 프로세싱을 수반하는데 그 과정에서 많은 에너지가 소모된다. 즉, 일반적인 반도체 메모리 소자들은 내방사선과 낮은 동작 에너지를 동시에 만족하는 것이 매우 어렵다는 것을 의미한다.
윤준보 교수 연구팀은 방사선에 원천적으로 강인한 특성을 가진 나노 전자 기계 기술(Nano Electro Mechanical System, NEMS)을 활용해 고에너지 방사선에도 강인할 뿐만 아니라 매우 낮은 프로그래밍 에너지를 가지고, 전원이 공급되지 않아도 저장된 정보를 유지할 수 있는 비휘발성 메모리 소자를 세계 최초로 개발했다.
연구팀은 반도체 메모리를 사용하는 대신, 나노 크기의 매우 작은 기계 구조에 전기 신호를 가함으로써 나노 기계 구조체가 실제로 움직여서 하부 전극에 붙고 떨어지는 방식을 사용하였다. 또한, 매우 낮은 프로그래밍 에너지를 달성하기 위해 파이프-클립 스프링 구조와 구부러진 외팔보 구조로 구성된 상부 전극을 도입했으며, 특히 파이프-클립 모양의 나노 기계 구조에 전류를 가해 열을 내는 구동 방식을 통해 프로그램된 구조체가 초기 상태로 복구할 수 있도록 하여 반복적인 프로그램 동작에도 낮은 프로그래밍 에너지를 유지할 수 있도록 하였다.
연구진은 나노종합기술원의 반도체 장비·시설 인프라를 활용해 8인치 웨이퍼 수준의 대면적 기판에 신뢰적으로 소자를 제작했고, 제작한 나노 전자 기계식 비휘발성 메모리의 프로그래밍 에너지는 차세대 메모리들과 비교했을 때도 매우 낮은 수준이었다. 또한, 기계적인 움직임을 기반으로 하는 동작 방식 덕분에 고에너지 방사선 조사 후에도 누설 전류 증가, 동작 전압 변화, 비트 오작동 등의 성능 저하 없이 우수한 내방사선 특성을 보였다.
연구개발에 주도적으로 참여한 이용복 박사과정은 “이번 연구 결과는 연구팀이 보유한 나노 전자 기계 설계 기술과 나노종합기술원의 첨단 공정 기술이 만나 내방사선 특성과 낮은 동작 에너지 소모를 동시에 만족하는 비휘발성 메모리를 세계 최초로 구현했다는 점에서 중요한 의미를 가지고, 해당 기술은 우주 환경에서의 인공지능, 초안정성 자율주행 시스템 등 내방사선과 높은 에너지 효율성이 필요한 다양한 미래 응용 분야에서 핵심 기술이 될 것” 이라고 말했다. 또한, “세계 차세대 반도체 시장에서 우리나라가 메모리 원천 기술을 선도할 수 있도록 기여하고 싶다”며 앞으로의 계획을 밝혔다.
해당 기술과 관련해 미국, 중국, 대만, 한국 등에 6건의 특허가 출원돼 있다.
한편, 이번 연구는 한국연구재단의 차세대지능형반도체기술개발사업과 삼성전자의 지원을 받아 수행됐다.
2023.02.28 조회수 5992 -
최경철 교수, 직물위에 유기발광다이오드(OLED) 형성 기술 개발
〈 학술지에 게재된 표지논문 〉
옷처럼 편하게 입으면서도 디스플레이 기능을 수행할 수 있는 OLED 기술이 개발됐다.
우리 대학 전기및전자공학부 최경철 교수 연구팀이 직물 기판 위에 유기발광다이오드(OLED)를 형성해 웨어러블 디스플레이를 실현할 수 있는 원천기술을 개발했다.
연구팀의 직물 OLED는 다층 박막봉지 기술(Thin-film Encapsulation)을 적용한 상태에서도 유연함을 잃지 않았고 1천 시간 이상의 동작 수명을 유지했다.
㈜코오롱글로텍과 공동으로 진행된 이번 연구는 나노전자 기술 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 일렉트로닉 머티리얼즈(Advanced Electronic Materials)’ 11월 16일 표지논문으로 선정됐다.
플라스틱 기판을 기반으로 한 유연 디스플레이는 플라스틱 기판이 얇을수록 뛰어난 유연성을 보인다. 하지만 얇게 만들수록 쉽게 찢어지는 문제가 발생하고 내구성이 약해지게 된다.
반면 직물은 씨실과 날실로 이뤄진 구조로 전체 직물은 두껍지만 여러 가닥의 수 마이크로미터 두께의 섬유들이 엮여있어 매우 유연하면서도 뛰어난 내구성을 갖는다. 연구팀은 이 점에 주목해 직물 OLED 형성 기술을 연구했다.
일반 옷감에 쓰이는 직물은 표면이 거칠고 온도 상승에 따라 부피가 팽창하는 열팽창계수(Coefficient of Thermal Expansion)가 커 열 증착 과정을 거치는 OLED 소자 형성 과정에서 문제가 발생한다.
연구팀이 개발한 평탄화 공정은 이러한 문제를 해결했다. 직물의 유연한 성질을 잃지 않으면서도 유리 기판과 같이 평평한 형태의 직물을 구현했다. 또한 이 평탄화된 직물은 동일 두께의 플라스틱 기판보다 더 유연했다.
연구팀은 평탄화 된 직물 위에 진공 열 증착 공정으로 OLED를 형성했고 OLED를 보호하기 위해 수분과 산소의 침투를 막는 다층 박막봉지 기술을 적용했다.
다층 박막봉지 기술이 적용된 직물 OLED는 1천 시간 이상의 동작 수명과 3천 500시간 이상의 유휴 수명을 갖는 것으로 확인됐다. 결과적으로 플라스틱보다 유연하면서 소자의 신뢰성까지 보장할 수 있는 디스플레이 소자를 구현했다.
연구팀은 이번 연구 결과가 산업적으로 플라스틱 OLED에서 진보된 패브릭 기판의 OLED 기술을 제시할 것이라고 예상했다.
최 교수는 “플라스틱보다 유연하면서 뛰어난 신뢰성을 보인 직물 OLED는 옷처럼 편한 웨어러블 디스플레이를 구현할 수 있을 것이다”며 “작년 실 한 올마다 OLED를 구축했던 성과에 이어 보다 실현 가능한 기술을 개발했다는 데 의미가 있다”고 말했다.
김우현 박사와 권선일 박사과정이 공동 1저자로 참여한 이번 연구는 산업통상자원부의 산업기술혁신사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 제작된 직물 기판 위에 형성된 OLED 구동 사진
그림2. 직물 위에 형성된 OLED 구조
그림3. 단면 SEM 사진
2016.11.22 조회수 18623 -
누설전류의 원천적 차단 가능한 ‘20nm갭 기계식 나노집적소자’ 세계 최초 개발
- CPU, 메모리 적용 시 에너지 절감 年 7,480억원․329만톤의 CO2배출저감 효과 기대 -
고가의 반도체 기판 대신 저렴한 유리기판이나 플렉서블(flexible) 플라스틱 기판에도 적용이 가능하고, 3低(초저가․초저전력․초 저탄소) CPU를 실현할 수 있는 나노집적소자 원천 기술이 국내연구진에 의해 세계 최초로 개발되었다.
우리대학 전기 및 전자 공학과 윤준보 교수팀과 부설 나노종합팹센터(소장 이희철)는 공동연구를 통하여 세계 에서 가장 작은 이격거리를 가지는 “20nm갭 기계식 나노집적소자(3단자 나노전자 기계스위칭소자)”를 세계 최초로 개발하는데 성공했다고 밝혔다.
반도체로 만들어진 기존의 CPU는 반도체 특성을 활용하여 전기신호의 차폐를 제어함으로써 PC내에서 평균적으로 3.2W의 대기전력을 소모하고 있다. 업무용 PC 보급대수와 대기시간을 각각 1000만 대와 14시간으로 가정하면 대기전력은 년 163,520 MWh로 계산된다. 고리원자력발전소 1호기의 발전량(2007년 총 발전량 2,254,988 MWh) 7%에 해당하는 전력량이다.
이에 윤준보 교수팀은 나노종합팹의 첨단 장비․시설 등 인프라와 나노 전자기계 기술(Nano Electro Mechanical System, NEMS)을 적용하여, 트렌지스터와 동일한 역할을 수행하면서도 누설전류를 원천적으로 차단한 新개념 전자소자인 ‘기계식 나노집적 소자’를 개발했다.
본 소자의 핵심원리는 질화티타늄(TiN)으로 만든 3차원 나노구조물의 기계적인 움직임을 통해 기계적인 이격정도의 차이로 전기신호를 제어한다는 것이다. 대기 상태에서 누설전류를 원천적으로 차단하는 원리를 가지기 때문에, 이를 CPU에 적용하면 1W 미만의 대기전력을 가지는 CPU개발이 앞당겨 질 것으로 기대를 하고 있다.
사진설명: 20nm갭 기계식 나노집적 소자의 단면 사진
좌측- TEM (투사 전자 현미경) , 우측 - SEM (주사 전자 현미경)
또한, 저온 공정이 가능하기 때문에 기존의 반도체 회로 상부에 3차원으로 적층형 집적이 가능하고, 기존의 반도체를 만들던 단결정 실리콘보다 훨씬 저렴한 유리 기판이나 휘어지는 플라스틱 기판에서도 전자 스위치 소자를 형성할 수 있어, 초저가․초고성능․초저전력의 전자 회로를 만들 수 있다는 데 특징이 있다.
그리고, 무엇보다도 세계 최고 수준의 나노종합팹센터의 첨단 반도체 설비와 공정을 그대로 활용하여 본 소자의 핵심인 초미세 나노패턴 형성과 희생박막 형성 기술을 연구․실증했기 때문에, 상용화 실현 가능성이 매우 높다는 데 의의가 크다.
개발된 기계식 나노집적소자를 활용하여 대기전력 1W이하의 저전력 PC가 실현함으로써 기대되는 에너지 절감효과는 2010년 1,100GWh/年(1,210억원), 2020년 6,800GWh/年(7,480억원)에 이르고 각각 53만톤, 329만톤의 이산화탄소 배출량 억제효과를 가져올 수 있을 것으로 보인다.
또한, 기계식 나노집적소자의 시장 점유율을 전체 반도체 시장의 0.1%로만 잡더라도 시장규모가 2015년 3천 6백억원에 이를 것으로 전망하고 있다. 우주항공 장비와 통신용 소자 및 바이오소자 응용 등 관련 산업에 미치는 파급효과까지 고려하는 경우 그 경제적 부가가치는 매우 클 것으로 기대된다.
이번 연구결과는 12월 7일 미국 볼티모어에서 개막되는 국제 학술 회의인 “국제전자소자회의(International Electron Device Meeting, IEDM)”에서 발표될 예정으로 지난 50년간 반도체 소자를 이용하여 만들어 오던 초고집적회로(VLSI)에서 CMOS 반도체 소자가 극복 할 수 없었던 재료와 성능의 한계들을 극복할 수 있는 새로운 가능성을 제시했다는 것에 의미가 있다.
한편, 해당 기술과 관련하여 미국에 1건이 특허 등록되었으며 미국, 중국, 유럽, 일본 등에 4건의 후속 특허가 출원되어 있다. 국내에는 8건의 관련 특허 등록과 2건의 특허가 출원되어 있다.
나노종합팹센터 이희철 소장은 “나노전자 기계소자를 이용한 집적회로 기술은 2008년에서야 ITRS(세계반도체협회) 로드맵에 등재될 정도로 차세대 기술이며, 우리 기술진의 개발수준이 미국의 스탠포드대, UC버클리대학의 연구수준을 뛰어넘는 결과로 이번 기술 개발이 포스트-반도체 기술력을 선점할 수 있는 중요한 디딤돌이 될 것”이라고 내다보고 있다.
또, 연구개발에 주도적으로 참여한 이정언 박사과정은 “공동연구 개발을 통하여 얻은 기술은 실용화와 상용화를 목적으로 하고 있으며, 기술정보, 연구인력, 노하우 등 연구결과를 산업체에 제공하여 향후에 우리나라가 세계 차세대 반도체 시장에서 유리한 입지를 확보하는데 기여하고 싶다”고 앞으로의 계획을 밝혔다.
용어설명
○ 스위칭소자 : 전류를 on/off 시키는 장치, 스위치 장치를 조합하여 논리회로, 마이크로프로세서등 을 만들 수 있음.
○ 기계식 나노집적 소자 : 반도체 공정을 이용하여 만든 나노 크기의 기계장치로 전기신호에 의하여 제어되는 소자.
○ 3단자 스위칭 소자 : 3개의 단자로 구성된 전자 부품으로 1개의 단자에 인가된 전기신호로 나머지 2개의 단자의 단락 여부를 제어하는 전자 장치
○ 패키징 : 전자소자의 제품화를 위하여 기판상태에서 제작된 소자를 외부의 환경에 안정적인 상태가 되도록 최종적으로 마무리 하는 단계
○ 트랜지스터 : 규소나 저마늄으로 만들어진 반도체를 세 겹으로 접합하여 만든 전자회로로 전류나 전압흐름을 조절하여 증폭, 스위치 역할을 한다.
사진설명: 개발된 기계식 집적 소자를 활용한 미래형 전자 기판의 개념도
2009.12.07 조회수 20497 -
세계에서 가장 작은 나노전자소자 공동 개발
KAIST 최양규 교수팀 / 나노종합팹센터 공동 연구
새로운 구조의 3차원 3nm급 나노전자소자(FinFET) 공동개발
현재 반도체소자 기술의 한계를 극복하여 향후 세계 반도체 시장에서 유리한 입지 확보
KAIST (총장 로버트 러플린) 최양규 교수팀과 나노종합팹센터(소장 이희철)가 테라급 차세대 반도체소자에 적용 가능한 세계에서 가장 작은 새로운 구조의 3차원 3nm급 ‘나노전자소자(FinFET)’를 공동 개발하는데 성공했다
이번에 공동 개발한 나노전자소자는 게이트가 채널의 전면을 감싸고 있는 새로운 형태의 3차원 구조를 고안하여 3nm급 트랜지스터를 개발한 것이다.
이것은 기존의 실리콘 반도체 기술의 한계를 한단계 진전시킨 의미 있는 연구 결과이다.
칩의 집적도를 높이기 위한 5nm급 나노소자 구현은 기존의 실리콘 기술이 아닌 탄소나노튜브나 분자소자 등과 같은 신소재를 사용해야 할 것으로 예상되었으나, 본 연구 결과는 실리콘 기술만으로도 5nm급 이하 소자 구현이 가능하고 ‘무어의 법칙’이 향후 20년 이상 계속 유지될 수 있다는 가능성을 제시했다.
현재까지 발표된 세계에서 가장 작은 소자는 2003년 12월 일본 NEC가 국제전자소자회의(IEDM)에서 발표한 ‘표준형 2차원 평면 소자구조를 이용한 4nm 소자’로 알려져 있으나, 이는 누설 전류가 크고 동작 시 충분한 전류를 얻지 못하는 등 만족스러운 소자 특성을 얻지는 못했다.
그러나 공동 개발된 3차원 구조(게이트가 채널의 전면을 감싸고 있는 구조)는 NEC의 4nm 소자에 비해 소자의 크기가 작을 뿐만 아니라 ‘단채널 효과’가 크게 개선된 결과를 얻었다.
이번에 공동 개발된 나노소자는 프로세서나 테라급 DRAM, SRAM, 플래시 메모리 소자로 응용이 가능하며, 휴대인터넷, 동영상 회의, 입는 컴퓨터 등의 차세대 정보처리 기기의 필수부품으로 사용될 것으로 전망되며, 컴퓨터의 두뇌에 해당되는 마이크로프로세서에 이 나노소자를 적용할 경우 처리속도가 100GHz (현재보다 25배 빠름)를 넘을 수 있을 것으로 예상된다.
전체 반도체 시장의 연평균 성장률을 7%로 가정할 경우 그 시장 규모가 2015년에는 480조로 예상되는데, 이 중 공동 개발된 3nm급 3차원 소자가 약 35% 정도를 차지할 것으로 기대된다.
이번 공동 연구개발을 통하여 얻은 차세대 나노 집적회로의 원천기술 및 응용기술은 앞으로도 우리나라가 세계 반도체 시장에서 유리한 입지를 확보하는데 기여할 것으로 평가된다.
이번 연구 성과는 오는 6월 13일 미국 하와이에서 개막되는 권위적인 국제 학술회의인 “초고집적회로 국제학회(Symposium on VLSI Technology)”에서 발표될 예정이다.
앞으로 한국과학기술원과 나노종합팹센터는 공동 프로젝트를 통하여 단위소자뿐만 아니라 3nm FinFET 제작 기술을 응용한 아날로그 및 디지털 RF 회로 등에 접목하는 양산성에 대한 추가적인 연구를 계속 진행할 예정이다.
※ 1테라 NAND 플래시는 엄지 손톱만한 크기의 칩 속에 12,500년분의 신문기사와 50만곡의 MP3 파일, 1,250편의 DVD 영화를 저장할 수 있고, 나노소자 칩을 가로, 세로에 각각 10개씩 배열하여 휴대하면 한 사람이 일생동안 보고 들은 것을 모두 저장할 수 있는 용량
2006.03.17 조회수 19444