"나노 스위치 달아 발열(發熱) 줄여"… 반도체는 혁신중

반도체의 기술 혁신을 설명하는 용어로 '무어의 법칙'이라는 게 있다. 1년 반마다 반도체 기술이 2배씩 향상된다는 것이다. 하지만 현재 기술로는 2012년에 무어의 법칙이 한계에 도달할 것으로 전문가들은 예측했다. 최근 국내외 연구진들이 무어의 법칙이 지속될 수 있도록 하는 혁신적 기술을 잇달아 개발하고 있다. 새로운 개념의 반도체 소자를 쓰거나 반도체의 정보 저장방식을 바꾸는 것이다.
◆나노 스위치 달아 발열 감소
반도체의 약점 중 하나가 발열(發熱)이다. 전자 회로에서 나오는 발열로 반도체를 구성하는 핵심 소자인 트랜지스터 자체가 녹아버릴 정도다. 발열의 원인은 반도체 집적도가 높아졌기 때문이다. 반도체 트랜지스터에 전자 회로가 다닥다닥 붙어 있으면, 한 회로에서 옆의 회로로 전류가 새면서 열이 발생한다. 전문가들은 한 해 국내 PC에서 이러한 누설 전류로 소모되는 전력이 고리1호 원자력 발전소의 7%에 달하는 것으로 추정한다.

KAIST 전기및전자공학과 윤준보 교수팀은 누설 전류를 획기적으로 줄여 반도체 집적도를 계속 높여갈 수 있게 하는 기술을 개발했다. 원리는 간단하다. 한 회로에서 다른 회로로 전류가 새지 않도록 아주 작은 스위치를 다는 것이다. 이른바 '나노 스위치'. 전등을 끄고 켜는 것은 스위치로 전기 회로를 끊었다 연결했다 하는 것이다. 윤 교수팀의 나노 스위치는 회로 사이의 20㎚(나노미터·1㎚는 10억분의 1m)의 공간을 연결했다 끊었다 하는 방식이다. 누설되는 통로를 나노 스위치로 끊어 버려서 누설 전류를 원천적으로 차단한다. 발열 문제가 없어지면 회로를 더 촘촘히 새겨넣을 수 있다. 반도체 집적도가 더 높아진다. 윤 교수팀은 이 연구결과를 지난 7일 미국 볼티모어에서 열린 '국제전자소자회의(IEDM·International Electron Device Meeting)'에서 발표했다. 윤 교수는 "나노 스위치를 달면 적어도 발열로 생기는 반도체 혁신의 장애는 제거된다"며 "당장 전력 소모가 중요한 우주분야에 이번에 개발한 나노 소자를 요긴하게 사용할 수 있을 것"이라고 말했다.

KAIST, 반도체 집적도 높여 "우주 분야 등 이용효과 클 듯"
전류 많이 새는 약점 극복한 '스핀 반도체'도 국내외서 성과

◆전자의 스핀도 정보로 이용
전자는 팽이의 회전과 비슷한 특성의 스핀(spin)을 갖고 있다. 팽이는 축을 기준으로 시계방향과 반시계방향 두 가지로 돈다. 전자의 스핀에도 팽이의 회전처럼 시계방향·반시계방향으로 회전하는 두 종류가 있다. 기존의 반도체는 전류가 흐르면 1의 데이터로 인식하고, 전류가 끊어지면 0의 데이터로 간주해 메모리를 저장하거나 CPU(중앙정보처리장치)를 구동한다. 과학자들은 같은 방법으로 시계 방향 스핀은 전류가 흐르는 1로, 반시계방향에 해당하는 스핀은 전류가 끊어진 0으로 인식하는 새로운 반도체를 연구 중이다. 이른바 '스핀트로닉스(spintronics)'다. 스핀(spin)과 전자공학(electronics)을 합친 말이다.  스핀 반도체는 기존의 반도체 회로에 비해 훨씬 간단한 회로로 1, 0을 구현한다. 기존의 반도체와 동일한 성능을 구현하는데도 보다 적은 전자 회로로 충분하다. 따라서 발열, 전류 누설 등의 부작용이 스핀 반도체에서는 훨씬 약해진다. 지난달 25일 네덜란드 트웬트 대학 나노기술연구소의 대시(Dash) 연구원팀은 상온에서 전자의 스핀을 제어하는 데 성공했다고 국제학술지 '네이처'에 발표했다. 그전에는 전자의 스핀을 제어하려면 섭씨 영하 120도까지 반도체의 온도를 내려야 해 상용화가 불가능했다. 대시 연구원팀의 성과는 스핀 반도체가 상용화될 수 있다는 가능성을 제시한 것이다. 국내에서도 극한(極寒)의 조건이지만 전자의 스핀으로 작동하는 트랜지스터가 개발됐다. KIST 스핀트로닉스연구단 한석희·장준연·구현철 박사팀은 섭씨 영하 230도에서 작동하는 세계 최초의 스핀 트랜지스터를 개발해 지난 9월 국제학술지 '사이언스'에 발표했다. 구현철 박사는 "스핀 반도체가 상용화되면 기존의 반도체가 가졌던 발열, 전자 회로 간 간섭 등의 약점이 일시에 해결된다"며 "기존의 플래시 메모리, D램의 장점을 합친 새로운 반도체 개발도 가능하다"고 말했다.
스핀 반도체는 기존의 반도체 회로에 비해 훨씬 간단한 회로로 1, 0을 구현한다. 기존의 반도체와 동일한 성능을 구현하는데도 보다 적은 전자 회로로 충분하다. 따라서 발열, 전류 누설 등의 부작용이 스핀 반도체에서는 훨씬 약해진다.
지난달 25일 네덜란드 트웬트 대학 나노기술연구소의 대시(Dash) 연구원팀은 상온에서 전자의 스핀을 제어하는 데 성공했다고 국제학술지 '네이처'에 발표했다. 그전에는 전자의 스핀을 제어하려면 섭씨 영하 120도까지 반도체의 온도를 내려야 해 상용화가 불가능했다. 대시 연구원팀의 성과는 스핀 반도체가 상용화될 수 있다는 가능성을 제시한 것이다. 국내에서도 극한(極寒)의 조건이지만 전자의 스핀으로 작동하는 트랜지스터가 개발됐다. KIST 스핀트로닉스연구단 한석희·장준연·구현철 박사팀은 섭씨 영하 230도에서 작동하는 세계 최초의 스핀 트랜지스터를 개발해 지난 9월 국제학술지 '사이언스'에 발표했다. 구현철 박사는 "스핀 반도체가 상용화되면 기존의 반도체가 가졌던 발열, 전자 회로 간 간섭 등의 약점이 일시에 해결된다"며 "기존의 플래시 메모리, D램의 장점을 합친 새로운 반도체 개발도 가능하다"고 말했다.

조호진 기자 superstory@chosun.com