'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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저온에서만 작동하는 스핀 트랜지스터의 한계를 극복한 핵심기술 개발
반도체 나노선 이용하여 상온에서 높은 스핀 주입률 달성


최근 국내 연구진이 차세대 반도체 소재로 주목 받고 있는 ‘반도체 나노선’*을 이용하여 상온에서 고효율로 스핀을 주입하고 검출 성능을 획기적으로 높일 수 있는 기술을 개발했다. 연구진은 기존에 저온에서만 작동하던 한계를 극복한 상온에서 구동하는 스핀 트랜지스터 개발 가능성을 한층 높였다고 밝혔다.
*나노선 : 수십 나노미터 수준의 매우 얇은 폭을 가진 선형 구조체. 전기전자와 화학, 바이오 공학 등 첨단과학 분야에 다양하게 활용됨.
한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 차세대반도체연구소 장준연 소장, 스핀융합연구단 박태언 박사 연구팀은 질화갈륨(GaN) 반도체 나노선을 이용해 상온에서 10%이상의 높은 스핀 주입률과 주입된 스핀전자가 1 마이크로미터(㎛, 100만분의 1m)이상을 이동해도 스핀정보의 큰 손실 없이 반도체 채널을 이동할 수 있다는 것을 실험적으로 증명하였다. 또한 연구진은 반도체 나노선에 의해 형성된 서로 다른 결정면의 방향을 이용하여 스핀 주입신호를 제어할 수 있는 획기적 방법을 개발하였다. 연구진은 이 요소기술들을 결합하면 –200 ℃ 이하의 저온에 머물러 있던 스핀 트랜지스터의 동작온도를 상온까지 끌어 올릴 수 있어 실용화 가능성이 한층 높아질 것으로 전망했다. 이러한 연구 결과는 그동안 학계에서 주목해온 스핀 트랜지스터의 상용화를 앞당길 매우 중요한 결과로 평가받고 있다. 

<그림 1> 질화갈륨 반도체 나노선에 제작된 스핀주입소자 (a): 본 연구에 사용한 질화갈륨 나노선 기반 스핀 밸브소자와 측정방법을 나타낸 개략도 (b): 질화갈륨 나노선과 강자성체 전극간의 계면을 나타내는 개략적 단면도

기존 실리콘(Si) 반도체가 전자의 전하(-)만을 이용할 수 있었던 데 비해, 스핀 트랜지스터는 전하와 동시에 스핀을 새롭게 이용해 전자소자를 구동하는 신개념 저전력 고성능 기술로, 기존 트랜지스터에 비해 처리속도는 높은 반면 발열량이 낮다. 이 스핀 트랜지스터가 상용화될 경우 기존 반도체의 한계를 극복한 비휘발성의 초고속, 초저전력의 전자소자 개발이 가능해지므로 선진국을 중심으로 많은 연구가 진행되고 있다.  2009년 KIST 연구진에 의해 세계 최초로 스핀 트랜지스터 기술을 선보인 이래, 스핀 트랜지스터의 동작온도를 올리기 위한 많은 연구가 수행되었으나 여전히 저온에서만 작동하는 단점으로 상용화에 큰 걸림돌이 되고 있었다. 상온에서 동작하는 스핀트랜지스터를 개발하기 위해서는 10%이상의 높은 스핀 주입률과 주입된 스핀이 500 나노미터(nm) 이상의 스핀완화거리를 가져야하는데, 이번 연구진의 연구결과는 상온에서 구동이 가능한 스핀 트랜지스터의 한계를 극복하게 되었다는 의미가 있다. KIST 장준연 박사는 “반도체 스핀 트랜지스터를 개발하는데 가장 중요한 요소인 동작온도를 획기적으로 개선할 수 있는 새로운 방법을 제시한 것”이라고 전하며, “본 연구결과를 통해 입증하였듯이 저차원 나노소재를 활용한 새로운 기술은 스핀 트랜지스터의 동작온도 뿐만 아니라 소자성능 및 집적도를 극적으로 높일 것으로 예상되며, 향후 스핀트로닉스 기술 발전에 큰 기여를 할 수 있을 것”이라 밝혔다.

<그림 2> 스핀 트랜지스터의 구조와 소스 전극에서 주입된 스핀전자가 드레인 전극으로 이동하는 중 게이트 전압의 영향으로 세차운동을 하는 모습을 나타내는 개략도


본 연구는 미래창조과학부 나노소재개발사업, KIST 기관고유사업, 국가과학기술연구회 창의융합연구사업으로 수행되었으며, 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션 (Nature Communications)’ 6월 2일자(금)에 온라인 게재되었다.

* (논문명) Large spin accumulation and crystallographic dependence of spin transport in single crystal gallium nitride nanowires
        - (제1저자) 한국과학기술연구원 박태언 연구원   
        - (교신저자) 한국과학기술연구원 장준연 책임연구원

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[시론]CES가 남긴 것, '혁신 또 혁신'

 

2017년 정유년 새해가 밝았다. 매일 뜨고 지는 '해'지만 사람들은 동트기 전부터 새 '해'를 보려고 산으로 바다로 향한다. 필자도 새해 첫 해돋이를 보면서 지난해의 아쉬움을 보내며 새로운 결심을 하였다. 새해 떠오르는 첫 해를 보러가듯이, 매년 이맘때면 세간의 이목을 집중시키는 흥미진진한 것이 있다. 바로 세계 최대 가전제품 박람회인 CES(Consumer Electronics Show, 소비자 가전쇼)이다.[...]

 

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[YTN 사이언스] '전력 안쓰는 메모리'개발 가능성 열려

 

한미 공동 연구진이 외부 전력 없이도 자성을 바꾸는 데 성공해, 전력 소모가 전혀 없는 메모리 개발 가능성을 열었습니다. KIST 우성훈 박사와 MIT 제프리 비치 교수 등이 참여한 국제 공동 연구진은 외부에서 전력을 공급받지 않아도 철이나 니켈 같은 '강자성체'의 자기적 성질을 바꾸는 데 성공했다고 밝혔습니다. [...]

 

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