'포스트 평창' 제2의 도약 기회로

 

장준연 박사

2월은 다른 달보다 짧아서인지 유달리 빨리 지나간다. 설 명절이 대부분 2월에 있다 보니 가족들과 함께 차례를 올리고, 연휴를 즐기다보면 어느 사이에 봄과 함께 3월이 찾아오곤 한다. 그러나 올해 2월은 여느 때와는 다르다. 평창 동계 올림픽 때문이다. 지구촌 최대의 축제인 동계 올림픽과 패럴림픽이 대한민국에서 개최됐다. 1988년 서울 올림픽 이후 30년 만에 열리는 두 번째 올림픽이다.  
필자를 포함한 대부분의 우리 국민들은 박진감 넘치는 경기와 선수들의 눈부신 기량을 보면서 하루하루가 즐거웠을 것이다. 쇼트트랙처럼 한국이 강세를 보였던 종목은 이미 우리에게 익숙하지만 이번 올림픽을 통해서 새롭게 주목받게 된 종목들도 많다. 루지, 스켈레톤, 컬링 등의 종목은 이번 평창올림픽을 통해서 대중에게 많이 알려졌다. 특히 윤성빈 선수가 압도적인 기량차이로 아시아 최초 금메달을 획득해 그동안 넘을 수 없는 장벽으로 여겨지던 종목에서도 가능성을 엿볼 수 있는 훌륭한 사례를 남겼다.
또한 올림픽 개최는 스포츠계뿐만 아니라 개최국의 경제, 문화, 사회 등 전 분야에 큰 영향을 미친다. 국제 규격의 스포츠 시설, 교통 등 사회 간접자본이 확충·정비되고 국가 이미지와 위상이 제고되며 경제발전, 국민의식 변화의 계기가 되는 등 개최국이 얻는 이점이 매우 많기 때문에 올림픽 개최지로 선정되기 위한 국가 간의 경쟁이 치열하다. 평창 동계올림픽도 2번의 실패 끝에 따낸 2전 3기의 결과다. 필자가 어릴 때 기차로 강릉에 가려면 8시간 이상 소요됐다. 청량리역을 출발해 중앙선을 타고 영주까지 남쪽으로 내려갔다가 태백선을 타고 험준한 백두대간의 산들을 넘는 긴 여정을 거쳐 강릉에 도착했다. 지금은 인천공항에서 강원도까지 2시간 내로 주파하니 그야말로 격세지감을 느낀다.
국제통화기금(IMF)에서 발표한 자료에 의하면 대한민국의 2017년 1인당 국민소득은 약 2만 9000달러로 올해는 국민소득 3만 달러 시대가 곧 열릴 전망이다. 우리가 서울 올림픽을 전후로 중진국으로의 도약을 했다면 이번 평창 올림픽을 계기로는 명실상부 선진국으로 올라서야 한다. 88년 올림픽의 경우 민주화가 한참 진행되던 시기로 내부적인 혼란이 있었다면 올해 동계올림픽은 북·미관계악화, 일본의 비협조적인 태도와 같은 글로벌 이슈가 끊임없이 불거져 나왔다. 이 때문에 외부적 요인으로 인한 평창올림픽의 성공여부는 불투명 했으나 북한의 선수단, 응원단, 문화사절단 등 대규모 인원파견으로 이번 동계 올림픽이 세계 평화라는 올림픽 정신에 부합하는 대회로 막을 내릴 수가 있었다.
그러나 이러한 국제적 이슈에 밀려 간과된 것이 하나 있다. 평창 올림픽이 우리의 앞선 기술을 글로벌 사회에 소개하고 이를 통해 과학기술 강국으로서의 국가 이미지 제고를 위한 절호의 기회라는 점이다. LED를 장착한 1218대의 드론이 평창의 밤하늘에 수놓은 오륜마크와 다양한 형상들은 올림픽 개막식의 하이라이트였다. 천대 이상의 드론이 상호통신을 통해 각자의 위치를 정확하게 파악해 움직임으로써 가능한 일이었다. 물론 이 장비들은 인텔이 제작한 것이다. 하지만 그 안에는 세계 최고수준의 우리 반도체 기술이 있다. 그런 의미에서 이번 평창 올림픽은 아주 좋은 기회라고 할 수 있다. 휴대폰과 같은 모바일기기를 통해 매순간 막대한 양의 데이터가 생산되고 전송된다. 또한 인공지능은 이 빅데이터를 우리에게 유용한 정보로 바꿔준다. 이를 뒷받침하기 위해서는 정보전송 속도가 지금보다 더 빨라야 한다는 것은 당연한 일이다. 이미 기존 4G에 비해 수십배 이상 속도가 빠른 5G 기술이 개발돼 이번 올림픽을 통해 시연됐다.  
5G의 빠른 속도와 초저지연성은 무인자동차, 드론 등 무인기기 운영에 필요한 수많은 정보들을 원활히 전달하는데 필수적인 기술이다. 또 많은 전문가들이 5G기술이 기기와 기기, 산업과 산업의 융합을 가져와 산업계뿐만 아니라 사회 전반에 큰 변화를 초래할 것으로 예측하고 있다.
이번 평창올림픽에 일부 도입된 5G기술은 이제껏 보지 못한 생동감과 속도감으로 TV화면을 통해 전 세계 시청자들을 매료시키고 있다. 2020년 하계올림픽을 유치한 일본 역시 총력을 기울여 자국의 과학기술을 뽐내기 위해 준비하고 있다. 2018년 성공적인 평창 동계 올림픽을 통해 대한민국 과학기술의 제2의 도약을 준비해야한다. 우리 정부의 슬기롭고 현명한 해결책을 기대해 본다.

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'극한 환경' 반도체기술로 미래 열자

 

NASA의 토성 탐사선 '카시니'는 20년이 넘는 기나긴 우주여행을 마치고 2017년 9월 15일에 토성에서 그 생을 마감했다. 카시니를 제어하는 컴퓨터는 우주의 극한(극저온·방사선)환경에서도 오류 없이 그 기능을 잘 수행했다. 여기에 사용된 중앙제어장치(CPU)는 MIL-STD-1750A라는 16비트 CPU이다. 원래 F-16/F-18 전투기, 공격용 아파치 헬리콥터의 핵심 중앙컴퓨터로 설계·제작됐지만, 처음부터 극한 환경에서의 사용을 고려해 만들어진 덕분에, 미국의 달·화성 탐사선과 인공위성, 우주탐사선 등에 적용됐다.
 
또한, 미국 스페이스 셔틀의 중앙컴퓨터는 인텔 80386 32비트 CPU였고, 대부분의 주변 제어장치도 인텔 8086 16비트 CPU를 탑재해 2011년 스페이스 셔틀 프로그램을 마칠 때까지 계속 사용됐다. 몇몇 독자들은 컴퓨터를 켤 때 부팅용 OS 디스크를 삽입해야 하는 XT 컴퓨터를 기억할 것이다. 16비트 XT 컴퓨터의 CPU가 인텔 8086의 형제인 인텔 8088이다. 이보다 진보한 인텔 80386 CPU를 사용한 컴퓨터가 우리가 잘 아는 386컴퓨터다. 이만하면 그 성능을 짐작할 만하다. 심지어 8비트 CPU도 자주 우주 환경에서 사용된다. NASA는 허블 망원경과 갈릴레오 목성 탐험선에 1802라는 8비트 CPU를 제어장치의 일부분으로 사용했는데, 성능은 70년대 후반 비디오 게임기에 사용되는 정도다. 당연히 위에 기술한 CPU의 성능은 20년 전의 인텔 펜티엄 CPU만도 못하며 일부 휴대폰에 들어있는 ARM사의 중앙처리장치(AP) 보다도 훨씬 못하다. 

 

그러나 이런 우주용 반도체의 가격은 계산능력에 비해 매우 높다. 인텔 펜티엄과 성능이 비교될 정도면 개당 1억 원이 훌쩍 넘는데다가 주문 후 배달까지 1년 이상 걸린다. 또한, 이러한 반도체를 주문하려면 모든 사양과 용도를 제조사에 공개해야 한다. 이를 만들 수 있는 나라가 미국, 러시아, 중국 등 소수의 우주강국에 한정되기 때문에 국가 간 전략기술 이전에 대한 긴 행정적 협상과 처리를 해야 하기 때문이다. 시중에 판매되는 반도체는 0~70℃의 온도와 5~10Krad(누적 방사선 흡수선량 단위)의 방사선량을 견디면 되지만, 우주(항공) 반도체는 영하 55℃ ~ 영상 125℃의 온도, 무려 1만Krad에 달하는 방사선량을 견뎌야할 뿐 아니라 2000G(중력가속도) 이상의 충격도 견뎌야 한다. 지금 주머니에 있는 휴대폰은 우주 환경에서 쏟아지는 방사선에서 몇 시간도 버틸 수 없다. 50Krad 정도의 방사선에 누적 피폭되면 대부분의 상용 반도체 소자는 손상된다.

 

1년 이하로만 사용한다면 일반 상업용 반도체 보다 내구성이 좋은 산업용·군사용 반도체를 선별해 인공위성을 제작하는 방법이 있다. 그러나 고가의 발사비용을 고려한다면 1년 이하로 사용하기 위해 위성을 발사하는 것은 수지가 맞지 않는다. 최소 10년에서 최대 40년간 우주 환경에서 고장 없이 동작하려면, 재료의 선택 뿐 아니라 소자의 설계부터 달라진다. 우주 반도체에는 사파이어 혹은 석영 위에 실리콘을 씌운 것, 3-5족 화합물이나 질화갈륨, 탄화규소 또는 다이아몬드가 사용되며, 고장에 대비해 동일 회로를 복수 설계한다. 그 외에도 테스트할 항목이 수없이 많다 보니 가능하면 오랜 기간 사용해온, 오류가 발견되지 않고 검증된 CPU로 설계하는 것이다. 즉, 상용 반도체와는 근본적으로 다르게 설계·제작되다 보니 최신 실리콘 반도체에 20년 이상 뒤처지는 것이다. 그러다 보니 우주용 반도체들은 1년에 수백 개에서 수천 개 정도만 제작되고 대량생산용 대규모 반도체 라인을 우주 반도체 생산을 위해 재설정하는 것은 생각하기 어렵다. 

 

외국의 경우 국책연구소나 방산기업에서 직접 독립적인 소규모 반도체 공장을 운영해 특수 목적용으로 제작하는 실정이다. 또한, 극한 환경 반도체 기술은 우주용으로 가장 널리 사용되지만, 원자력 발전소 제어용 반도체, 방사선 유출 환경에서 작업하는 재난구조 로봇 등에도 사용된다. 이 경우 더욱 강력한 내방사선 반도체가 요구된다. 일본 후쿠시마의 파손된 제2원자로에서는 최대 시간당 65 Krad 정도의 방사선이 누출되고 있다고 보고됐고, 이 정도면 내방사선 반도체로 제작되지 않은 전자장비는 수십 분 이내 모두 멈추게 된다. 사람의 경우에는 30초면 사망에 이르게 된다. 극한 환경 반도체 기술의 경우 국내에서는 경제성 등의 이유로 필요할 때마다 구매하는 실정이다. 그러나 극한 환경 반도체 개발에 사용되는 설계, 재료, 공정 및 환경 제어·측정 기술들은 항공이나 군사용으로도 사용이 가능하다. 일반적으로 반도체는 눈에 잘 보이지 않는 곳에서 그 역할을 수행한다. 그러다보니 상대적으로 일반대중이나 정책결정자들의 관심을 받기 어려울 수 있다. 그러나 반도체는 전투기 레이더의 핵심소자부터 전기자동차의 전력 분배용에 이르기까지 소위 4차 산업혁명을 지지하는 대부분의 기술에 활용된다. 뿐만 아니라  극한 환경 반도체 기술을 몇몇 선진국들만 보유하고 있는 점에서 알 수 있듯이 대한민국이 과학기술 선진국으로 나아가기 위해서 결코 좌시해서는 안되는 분야다. 새로 출범한 대한민국호가 4차 산업혁명이란 거대한 물결 속에서 항해를 지속하기 위해선 기초 원천기술, 소재·소자, 특히 산업화의 핵심인 반도체 개발은 필수다. 경제적 논리보다는 전략적이고 미래지향적인 관점에서의 반도체 개발에 대한 지지를 기대해 본다.

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이달의 KIST인상 수상자 발표
장준연 박사, 엄병현 박사 총 2 명 ‘이달의 KIST인상’ 수상

 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 8월 28일(월) KIST 본원에서 우수한 연구업적을 달성한 총 2 명의 연구자들이 ‘이달의 KIST인상‘을 수상했다고 밝혔다.  차세대반도체연구소 장준연 박사(소장)는 차세대 반도체 소재로 주목받고 있는 ‘반도체 나노선’을 이용하여 상온에서 고효율로 스핀을 주입하고 검출 성능을 획기적으로 높일 수 있는 기술을 개발, 기존에 저온에서만 작동하였던 한계를 극복하여 상온에서 동작하는 스핀 트랜지스터 개발 가능성을 한층 높였다. 이 기술은 스핀 트랜지스터의 동작온도를 획기적으로 개선할 수 있는 새로운 방법을 제시하였으며, 본 연구결과는 ‘Nature Communications’ 6월 호(2017년)에 게재되었다. 장준연 박사는 스핀트로닉스 분야 기술 발전에 큰 기여를 한 공로로 이달의 KIST인상을 수상했다.  또한 KIST 강릉분원 중소기업지원센터 엄병현 박사는 원료가공체제 노하우를 바탕으로 3개의 특허를 포함하여 생리활성기능을 증진시키는 ‘오죽-소나무 기반 스포츠 드링크 기술’을 개발하여, 지난 4월, 명송 바이오주식회사에 기술이전 계약을 체결하였다. 엄병현 박사는 KIST 강릉분원의 중소기업지원 및 지역경제 활성화 목표에 맞춰 기술이전을 통한 지역 패밀리 기업 지원으로 기술지원 구심체 역할을 수행한 공로를 인정받았다. 이달의 KIST인상은 원의 발전에 가장 창조적, 혁신적으로 기여한 우수 직원을 발굴하여 포상함으로써 연구(업무)활동의 활성화하고자, 해당부서장이 적격후보자를 추천하여 포상심의위원회 심의를 거쳐 최종 선정된다.

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우성훈 박사, 이달의 KIST인상 수상

차세대 전자소자인 스핀트로닉스 분야에서 우수한 성과로 두각을 나타내
 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 스핀융합연구단 우성훈 박사는 7월 18일(화) KIST 서울 본원에서 우수한 연구업적을 인정받아 ‘이달의 KIST인상‘을 수상했다. KIST 우성훈 박사는 美 MIT와의 공동연구를 통해 ‘無 전력’ 메모리 소자의 구동 가능성을 세계 최초로 규명했다. 우성훈 박사는 이론으로만 제시되었던 스핀파(Spin Wave)를 이용한 자구벽 이동을 구현하는 연구의 논문을 물리학 유명저널인 ‘Nature Physics’ 5월호에 주저자로 게재하였으며, 향후 ‘전력 소모 0’인 신개념 메모리 소자 개발의 가능성을 열었다는 평을 받고 있다.  또한 우성훈 박사는 초미세 자기구조체인 ‘스커미온(Skirmion)’을 이용하여 신개념의 차세대 광대역 통신 소자에 적용 가능한 물리적 현상을 규명했다. 우성훈 박사는 스커미온의 호흡운동을 구현하고, 또한 효율적인 생성 기법을 개발하여 국제 학술지인 ‘Nature Communications’ 5월 24일자에 주저자이자 교신저자로 게재하였다. 본 연구는 스커미온 기반의 초저전력, 고효율의 차세대 통신소자 개발을 앞당기는데 기여할 것으로 전망하고 있다. 이에 KIST는 탁월한 연구업적을 인정하여 우성훈 박사를 ‘이달의 KIST인상’으로 선정했다고 밝혔다.  이달의 KIST인상은 원의 발전에 가장 창조적, 혁신적으로 기여한 우수 직원을 발굴하여 포상함으로써 연구(업무)활동을 활성화하고자, 해당부서장이 적격후보자를 추천하여 포상심의위원회 심의를 거쳐 최종 선정된다.

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[시론] 위기의 `과기 한국`, 재도약전략 다시 짜자

 

장준연 소장

안과 밖이 모두 답답하다. 안으로는 대통령 탄핵소추안이 발의되어 헌법재판소의 판결에 온 국민의 관심이 쏠리고 있다. 작년 10월 최순실 씨의 개인 태블릿PC에서 청와대 기밀문건들이 발견된 이후 우리 국민들은 매일같이 쏟아지는 어두운 뉴스에 충격과 분노를 표출하고 있다. 사회적 갈등과 혼란이 계속되면서 사회와 경제의 활력은 점차 떨어지고 있다. 이번 사건은 정치적 혼란에 그치는 것이 아니라 경제계로 번지고 있다. 특히 삼성그룹 이재용 부회장의 구속에 우려와 환영의 목소리가 교차하고 있다. 일각에서는 이 부회장의 구속이 자칫 국가신용도와 경제발전에 큰 영향을 주지 않도록 잘 대처해야 한다고 주장한다. 반면 이번 기회에 그동안 만연해온 재벌의 부정부패, 정경유착과 같은 적폐들을 바로잡아 시장질서를 재확립해야 한다는 시각도 만만치 않다. 온 나라가 여기에 매몰되어 옴짝달싹 못하고 있다.

 

밖은 어떠한가? 미국 우선주의를 표방하는 트럼프 행정부가 출범하면서 세계 곳곳에서 마찰음이 나오고 있다. 국제 사회의 거듭된 경고와 제재에도 불구하고 북한은 신형 미사일을 발사하여 한반도의 안보 위기감을 조장하고 있다. 중국도 한반도 사드배치 문제, 서해안 불법조업 문제로 갈등이 불거지고 있다. 이 와중에 김정남이 암살되고 일본은 다케시마의 날을 지정하여 우리의 영토주권을 위협하고 있는 실정이다. 역시 답답하다. 

 

안과 밖이 다 답답하다. 그러나 아무리 답답해도 먹고사는 문제만큼은 소홀히 할 수 없다. 하지만 경제 상황도 녹록치 않다. 최근 들어 대형 해운회사가 파산하고 휴대폰 배터리 폭발문제로 시장점유율이 하락했다. 자동차, 화학, 철강 산업도 전망이 그리 밝지 못하다. 우리가 자랑하는 주력산업 모두 기술적으로 앞서 있는 선진국과 추격하는 후발국들 사이에 낀 심각한 상황이다.

 

경제마저도 군고구마를 먹을 때처럼 답답하던 찰나에 사이다 같은 기사를 보게 됐다. 반도체 경기가 살아남에 따라 수익성이 개선되고 있다는 기사다. 국가 경제에 반도체 산업이 차지하는 비중이 20%에 달하므로 반도체 실적의 개선은 우리 경제에 청신호임에 틀림없다. 국내 반도체 산업은 메모리 반도체분야에서 세계적인 기술 경쟁력을 갖고 시장을 지배하고 있다. 모바일기기에서 생성되는 막대한 양의 데이터를 연결하고 처리하고 저장하는 사물인터넷(IoT), 인공지능(AI), 데이터 센터의 수요가 급격하게 증가하고 있어 이에 필요한 메모리 반도체의 수요가 급증하고 있다. 오랫동안 반도체 업계에서는 소위 '치킨게임'이라 불리는 사활을 건 피 말리는 경쟁이 치열하게 진행돼 왔다. 경쟁력이 떨어지는 기업들은 도태됐고 그 경쟁에서 살아남은 삼성, SK하이닉스, 그리고 미국의 마이크론이 트로이카 체제를 구축하고 있다. 

 

우리나라 기업의 주력제품인 D램이나 플래시 메모리 반도체는 모두 미국, 일본 등에서 원천기술이 개발됐다. 그럼에도 불구하고 우리 기업이 살아남은 이유가 무엇일까? 우리 기업들은 경쟁사보다 더 작게, 더 빠르게 동작하는 반도체 기술을 먼저 개발했다. 또한 막대한 투자가 따르는 반도체 산업의 특성상 적기에 과감한 투자가 중요한데 이에 대한 의사결정이 경쟁 기업들보다 빨랐다. 일본이 기술에서 앞서 있으면서도 반도체산업 경쟁에서 뒤처진 주요 요인으로 의사결정의 지연을 사유로 보는 전문가도 있다. 우리의 '빨리 빨리' 문화가 유난히 빛을 발휘한 우수 사례로 손꼽힌다.

 

하지만 현재의 경쟁 우위가 언제까지 지속 될지는 알 수 없다. 반도체의 크기는 작아질 대로 작아져 이제는 그 물리적 한계에 이르고 있다. 반도체 크기 소형화에 따른 원가절감과 수율향상으로 기업의 이익이 증대하는 과거의 수익모델에서 벗어나기 시작한 것이다. 작게 만들기 위한 비용이 소형화에 따른 원가절감 비용을 상회해 수익율이 떨어져 지난 세월 지속돼온 반도체 고집적화에 따른 수익구조가 더 이상 통용되지 않는 것이다. 약 60년 전 진공관 방식에서 실리콘을 기반으로 하는 반도체기반 집적소자(IC)로 전자소자의 패러다임이 변화했듯이 반도체의 성공신화가 지속되기 위해서는 이제 신개념 작동원리를 갖는 새로운 형태의 반도체의 개발이 절실히 요구되고 있다.

 

우리는 6.25 전쟁의 폐허 속에서 한강의 기적을 이루며 50여 년간 줄곧 힘차게 달려왔다. 오로지 우리의 의지와 노력으로 신화를 창조했다. 그동안 갖은 위기가 우리를 괴롭혔어도 그때마다 우리 국민은 특유의 저력과 우수성을 유감없이 발휘했다. 1998년 외환위기에 몰려 우리 경제가 큰 어려움을 겪을 때, 우리 국민들은 자발적인 금모으기를 통해 가장 단시간 내에 모범적으로 IMF의 통제를 벗어났다.  수출주도형 한국경제의 5대 주력 산업인 자동차, 조선, 화학, 철강, 반도체를 기반으로 한국 경제는 재도약을 이뤘던 경험이 있다. 그리고 그 뒤에는 과학기술이 있었다. 현재 우리를 둘러싼 차갑고 암울한 분위기는 언제 풀릴지 기약이 없다. 과학기술이 지금의 국내외 정치적 문제를 해결해줄 수는 없다. 그러나 획기적인 과학기술이 또 한번 우리 국민에게 자긍심과 희망을 주고, 우리가 더 잘 먹고 잘 살게 해줄 것이다. 겨울도 다 기울었다. 하얗게 핀 꽃 들녘으로 봄 맞으러 가자.

 

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N형, P형 반도체 기능을 모두 수행하는 스핀 트랜지스터 개발
반도체 공정을 획기적으로 줄이면서 비메모리 반도체 분야에 응용 가능

 

국제전기전자기술자협회(IEEE)를 주축으로 이뤄진 국제 디바이스·시스템(IRDS) 로드맵이 발간한 기술 백서에 따르면 현재 반도체 생산에 활용되고 있는 상보성 금속산화막 반도체(Complementary Metal–Oxide Semiconductor, CMOS*) 공정기술은 2024년을 기점으로 더 이상 발전이 없을 것으로 예상됐다. 따라서 포스트 CMOS와 ‘모어 무어(More Moore)’시대를 열기 위한 연구가 대두되고 있는데, 최근 국내 연구진이 전자의 스핀을 이용하여 현재 반도체 집적회로인 CMOS를 대체할 수 있는 방법을 개발했다고 밝혔다.
*CMOS(상보성 금속산화막 반도체) : 집적 회로의 한 종류로, 마이크로프로세서나 SRAM 등의 디지털 회로를 구성하는 데에 이용된다. 양(+)의 전하를 이용하는 P형 트랜지스터(p-MOS)와 음(-)의 전하를 이용하는 N형 트랜지스터(n-MOS)를 동일 칩에 넣어 양자가 상보적으로 동작하도록 하여 전력소모를 낮추는 방식

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 스핀융합연구단 구현철 박사팀은 기존 반도체 기술인 CMOS에서 반드시 필요했던 N형, P형 트랜지스터의 별도 제작 없이, 전자의 스핀특성을 이용하여 두 가지 기능을 모두 수행하는 트랜지스터를 구현하였다. 그동안 스핀트랜지스터는 상당한 잠재력을 가지고 있었지만 CMOS 로직 소자로의 동작을 보여주지 못했었다. 연구진은 전자의 스핀이 가지고 있는 평행/반평행 성질을 이용하여 CMOS 로직 소자 동작을 구현하였으며 관련 특허를 국내외에 출원했다. 이번 연구성과는 과학저널인 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’ 紙에 4월 21일(한국시간)자로 온라인 게재되었다.스핀트랜지스터 기술은 그동안 반도체가 전자의 전하만을 이용할 수 있었던 것에 비해, 전하와 동시에 전자의 스핀을 이용하여 정보를 저장 또는 처리하는 신기술로서, 기존 반도체의 한계를 극복한 비휘발성의 초고속, 초저전력의 전자소자 개발이 가능해진다. 본 연구진에 의해 최초로(2009년 Science紙 게재**) 제안된 이 트랜지스터는, 그러나 실제 회로에 응용하기 위해서 N형, P형 트랜지스터를 모두 구현해야하는 여러 가지 어려움이 있었다.
**Control of Spin Precession in a Spin-Injected Field Effect Transistor (Science紙, 2009년 9월 18일)

<그림 1> CMOS 동작을 위한 평행형 (N형기능), 반평행형(P형기능) 스핀 트랜지스터

<그림 2> 스핀 트랜지스터를 이용한 CMOS 소자 (좌) 및 신호 (우). P-형 트랜지스터(우 상단)와 N-형 트랜지스터(우 하단)의 기능을 전자의 스핀을 이용하여 보여주고 있다.

트랜지스터를 컴퓨터 중앙처리 장치와 같이 실제 로직소자에 응용하기 위해서는 N형(-), P형(+) 트랜지스터를 모두 이용해야하는데 제작과정에 많은 공정과 비용이 필요하다. 특히 스핀트랜지스터는 제작에도 많은 노하우가 필요할 뿐 아니라 N형, P형을 별도로 제작하는 연구는 전무했다. 이번 연구결과는 트랜지스터의 입력부와 출력부를 서로 같은 자화 방향으로 만들거나 서로 반대의 자화 방향으로 만들어 각각 N형과 P형의 기능을 모두 구현함으로써 특별한 도핑과정 없이 두 가지 역할을 모두 수행하는 트랜지스터를 개발한 것이다. 이러한 기술은 향후 상용화가 된다면 세계 수준인 반도체 메모리 기술에 비해 취약한 국내 시스템 반도체(비메모리) 분야에 다양하게 이용될 수 있으며 이 기술이 가진 초고속, 초절전 특성으로 인해 다양한 전자기기, 특히 모바일 기기에 응용될 것으로 기대된다. KIST 구현철 박사는 “현재 스핀트랜지스터 기술은 시작하는 단계에 있지만 이를 이용한 로직소자가 개발되면 전력손실이 거의 없고 초고속으로 작동할 것이다.”라며, “향후 정보처리 소자는 물론 메모리와 로직을 융합한 모바일용 소자에도 응용이 가능할 것이다” 라고 밝혔다.

 

본 연구는 미래창조과학부(장관 최양희) 지원으로 KIST 기관고유사업과 연구재단 중견연구사업으로 수행되었다. 


 * (논문명) Complementary spin transistor using a quantum well channel
          - (제1저자) 한국과학기술연구원 박윤호 박사과정       
          - (교신저자) 한국과학기술연구원 구현철 박사

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[시론]위기의 '과기 한국', 재도약전략 다시 짜자

 

안과 밖이 모두 답답하다. 안으로는 대통령 탄핵소추안이 발의되어 헌법재판소의 판결에 온 국민의 관심이 쏠리고 있다. 작년 10월 최순실 씨의 개인 태블릿PC에서 청와대 기밀문건들이 발견된 이후 우리 국민들은 매일같이 쏟아지는 어두운 뉴스에 충격과 분노를 표출하고 있다. 사회적 갈등과 혼란이 계속되면서 사회와 경제의 활력은 점차 떨어지고 있다. 이번 사건은 정치적 혼란에 그치는 것이 아니라 경제계로 번지고 있다. 특히 삼성그룹 이재용 부회장의 구속에 우려와 환영의 목소리가 교차하고 있다. 일각에서는 이 부회장의 구속이 자칫 국가신용도와 경제발전에 큰 영향을 주지 않도록 잘 대처해야 한다고 주장한다. 반면 이번 기회에 그동안 만연해온 재벌의 부정부패, 정경유착과 같은 적폐들을 바로잡아 시장질서를 재확립해야 한다는 시각도 만만치 않다. 온 나라가 여기에 매몰되어 옴짝달싹 못하고 있다.[...]

 

[디지털타임스 전문보기]

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이론으로만 제시된 스핀파(Spin wave)를 이용한 자구벽 이동 세계 최초 구현

향후 ‘전력 소모 0’인 신개념 메모리 소자 개발 기대

 

국내 연구진이 초저전력을 넘어선 전력소모 ‘0’인 ‘無 전력’ 메모리소자를 가능케 하는 물리적 현상을 세계 최초로 규명했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 스핀융합연구단 우성훈 박사는 미국 MIT 재료공학과 제프리 비치(Geoffrey Beach) 교수팀과의 약 3년간의 공동연구를 통해, 소자의 스핀성질을 활용하여 전력소모 없이 메모리 소자를 구동할 수 있는 방법을 세계 최초로 구현하였다고 밝혔다. 이번 연구 결과는 기존에 이론으로만 제시되었던 스핀파(Spin wave)*를 이용한 자구벽(Domain Wall)**의 이동을 세계 최초로 구현한 것으로, 물리학 분야 세계 최고권위의 저널 ‘네이처 피직스(Nature Physics)’ 1월 31일(한국시간)자에 게재되었다.
*스핀파(Spinwave) : 스핀 배열이 흐트러짐에 따라 발생하다고 생각되는 파동.
*자구벽(Magnetic Domain Wall) :  강자성체에 있어서 자구와 자구(磁區)의 경계이다.

 

서로 다른 자성을 띈 자기 구역을 구분하는 ‘자구벽’ 구조는, 높은 이동도와 안정성, 값싼 공정가격 등을 바탕으로 이를 차세대 메모리 소자에 적용하기 위한 연구가 세계적으로 활발하게 진행되어 왔다. 하지만 ‘자구벽’ 구조를 이동시키기 위해 소모되는 임계 전류값이 기존 전자소자와 비교하여 큰 이점을 가지지 못한다는 ‘전력소모’의 한계로 인해, 임계 전류를 낮추기 위한 다각도의 연구가 이루어져 왔으나 여전히 분명한 해결책이 나타나지 않았다. 

 [그림 : 두 개의 자구벽이 부딪힐 때 나타나는 강한 크기의 스핀파에 대한 도식(Schematic)]

본 연구결과는, 기존에 전기적인 방법을 이용하여 자구벽을 이동시켜야 한다는 고정관념을 깬 전혀 새로운 접근 방법의 결과이다. 연구팀은 2개의 자구벽이 부딪혀서 생기는 스핀의 독특한 파동 형태인 ‘스핀파(or 마그논(Magnon))’를 사용하여 전력소모가 전혀 없이도 자구벽의 효율적인 이동이 가능하다는 것을 밝혔다. 즉, 외부전류의 유입없이 자구벽의 유무상태를 바꿀 수 있게 됨으로서, 향후 무전력 소자가 가능해질 것이라는 원리를 세계최초로 규명한 것이다. 또한 스핀파의 효율적인 생성을 위해서 두 개의 자구벽의 충돌을 이용함으로서, 전력 소모 없이도 강한 크기의 스핀파가 생성될 수 있음도 보여주었다.  우성훈 박사는 “스마트기기 하나가 처리해야할 정보의 양이 기하급수적으로 늘어나고 있는 상황에서 초저전력 문제는 굉장히 큰 이슈로 자리 잡고 있다”고 전하며, “이런 상황에서 본 연구결과가 제시하는, 스핀소자를 활용한 새로운 접근법은 향후 차세대 메모리 관련 산업전반에 크게 기여할 수 있을 것이라고 본다”고 밝혔다.


본 연구는 미래창조과학부(장관 최양희)지원으로 KIST 기관고유사업과 미국 C-SPIN 사업의 지원으로 수행되었다. 

 * (논문명) Magnetic Domain Wall Depinning Assisted by Spin Wave Bursts 
          - (제1저자) 한국과학기술연구원 우성훈 선임연구원       
          - (교신저자) MIT Geoffrey Beach 교수

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프린팅 기반 화합물 반도체로 태양 에너지를 청정에너지 ‘수소’로 저장
저비용, 고효율 반도체 전극 제작기술로 태양광 수소 생산 상용화 앞당겨

 

태양광 물 분해 기술*은 햇빛과 물로부터 수소를 얻는 대표적인 청정연료 생산방법이다. 앞으로 수소는 화석연료를 대체할 연료로 각광받으며 사용량이 급격히 증가할 것으로 예상되나, 현재의 수소 제조법은 지구 기후변화를 야기하는 이산화탄소를 대량 방출한다는 한계점을 가지고 있다. 이를 극복하기 위해, 태양광 사용으로 물로부터 직접 수소를 제조하는 기술이 제안되어 왔지만, 아직까지 태양광으로부터의 생산 효율이 낮고, 소재 개발 단계에 머물러 있는 등 실용화에 크게 어려움을 겪고 있었다.
* 태양광 물분해 : 인공광합성의 예, 햇빛을 흡수하여 물로부터 수소와 산소를 생산하는 촉매 반응

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 청정에너지연구센터 황윤정, 민병권 박사팀은 태양광-수소 제조 디바이스(광전기 화학전지)의 태양광-수소 생산 성능을 크게 향상시키는 반도체 광전극의 저가 제조법을 개발했다. KIST 연구진은 지금까지 태양전지에 주로 사용되어온 황셀레늄화구리인듐갈륨*(CuInxGa1-xSySe2-y, CIGS) 반도체 화합물을 광촉매로 직접 활용하여 태양광 에너지를 수소에너지로 저장하는 인공광합성 장치에 적용하였다. 고비용의 진공장비를 이용하는 CIGS 제작법은 대량생산 및 대면적화에 어려움이 있어, 경제성 확보를 위해 저가의 프린팅 공정 기반의 기술 개발이 필요했다. 하지만 반도체 화합물의 용액 프린팅 공정방법은 아직까지 고품질의 CIGS 박막을 만드는데 한계가 있어 기술 향상이 필요한 부분이었다.
* 황셀레늄화구리인듐갈륨 화합물(CIGS) : 구리, 인듐, 갈륨, 황, 셀레늄의 원소가 일정비율로 결합된 화합물로 반도체 특성을 나타냄. 물을 환원시켜 수소를 생산하는 광촉매전극으로 관심을 받고 있음
연구진은 용액 프린팅 공정 기반 합성법을 개발하고, 황화아연(ZnS) 방식층을 CIGS 박막 위에 도포함으로써, CIGS 광촉매전극의 태양광-수소 전환 광전류 밀도*를 7mA/cm2에서 24mA/cm2으로 3배 이상 대폭 향상시켰다. 본 연구팀이 개발한 CIGS 광전극은 기존에 알려진 ∼10mA/cm2 수준의 최고 성능보다 월등히 높은 값이며, 고가 진공공정으로 제작한 CIGS 화합물 반도체가 나타내는 성능과도 견줄 만한 수준이라고 할 수 있다.
* 광전류 밀도 : 빛을 통한 전기 화학반응, 수소가 얼마나 빠르게 생성되는지의 정도

[그림] CIGS화합물 광전극과 황화아연층을 적용한 광전극의 광전류밀도를 비교한 결과 (좌측) 와 투명유리 기판위에 CIGS 광전극을 준비하고 황화아연층을 도입한 광전극의 모식도 (좌측 내부). 가역수소전극 대비 –0.3 V에서 –24mA/cm2의 광전류를 보임을 확인. 전극 표면에서 실제 생성된 수소 가스의 사진 (우측)

 

연구진은 효율의 향상을 위해 CIGS 표면 상태(Surface State)를 억제하고, 전자-정공쌍의 수명*을 크게 향상 시키는 기술 개발을 통해 가능하게 되었다. 또한, 파장별 광효율 측정을 통해, CIGS 광전극 내의 광전자의 움직임이 광전극 활성을 향상시키는데 매우 중요한 역할을 한다는 과학적 현상을 실험적으로 밝히기도 하였다. 한편, 연구진은 개발된 기술로 태양광을 전/후면 양방향으로 사용가능하게 제작하여 CIGS 광촉매 광전극의 다양한 응용 가능성을 제시하였다.
*전자-정공쌍의 수명 : 반도체가 빛 에너지를 흡수하면 전자와 정공이 쌍을 이뤄 생성되고, 물 분해에 사용된다. 이 전자-정공쌍이 재결합하는데 걸리는 시간을 전자-정공쌍의 수명이라고 한다.

KIST 황윤정 박사는 “이번에 개발된 저가 용액 프린팅 공정이 가능한 고효율 CIGS 화합물 광촉매 광전극 기술은 앞으로 태양빛과 물로부터 청정수소를 생산하는 시스템 개발에 큰 기여를 할 것이다.”고 밝혔다.

 

본 연구는 미래창조과학부(장관 최양희) 지원으로 KIST 미래원천 연구사업 및 특화전문대학원 학연협력 지원사업의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 화학 분야의 저명 국제 학술지인 미국화학회지 (Journal of the American Chemical Society: JACS, (IF : 13.038))에 12월 7일(Vol.138, Issue 48) 게재되었다.

* (논문명) Enhanced Photocurrents with ZnS Passivated Cu(In,Ga)(Se,S)2 Photocathodes Synthesized

              Using a Nonvacuum Process for Solar Water Splitting
      - (제1저자) 한국과학기술연구원 채상윤 연구원
      - (교신저자) 한국과학기술연구원 황윤정 선임연구원, 민병권 센터장

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