차세대 반도체칩 ‘나노素子’ 개발 경쟁
눈에 보이지 않을 정도로 작은 구조를 다루는 나노테크놀러지(극미세기술) 개발경쟁이 치열하다.미국 일본 등 대부분의 기술선진국들은나노테크놀러지를 바이오테크놀러지·정보통신기술과 함께 21세기의 ‘떠오르는 기술’로 인식하며 엄청난 예산을 들여 국가프로젝트로기술개발을 진행 중이다.
분자·원자 수준에서 물질을 다루는 나노테크놀러지는 재료·소재,전자공학 및 컴퓨터 기술,의료 및 건강,항공,환경 및 에너지,생태기술 등 전 분야에 걸쳐 응용이 연구되고 있다.
그 중에서도 기존의 실리콘 반도체가 지닌 물리적 한계를 극복할 수있는 차세대 반도체칩을 만들 수 있는 대안기술로 주목받으면서 기억소자 분야에서 가장 먼저 실용화가 이뤄질 전망이다.
현존하는 마이크로미터(㎛) 수준의 소자로는 인공지능로봇,생각하는컴퓨터, 외국어 자동 동시통역기, 포켓용 초미니 슈퍼컴퓨터 등 21세기에 필요한 지능형시스템을 제작할 수 있는 성능의 반도체를 생산할 수 없다.비용이 너무 많이 들 뿐 아니라 부피가 커서 효율성이 떨어진다.
서울대 물리학과 국양(鞠樑) 교수는 “71년 인텔사가 4비트(bit·비트는 정보의 최소 단위) 마이크로프로세서를 개발한 이래 전자산업은비약적인 발전을 거듭했지만 2012년에는 소형화가 물리적 한계에 도달할 것으로 전망된다”고 말했다.현재 구현된 선폭(회로소자 하나의크기)기술은 0.18㎛.이 기술로는 4∼16기가(Giga,10의 9승)비트의 기억용량이 가능하다.
자기 기록이나 광 기록 기술로 실현 가능한 마이크론 크기의 메모리소자는 아무리 줄여도 어느 단계에 이르면 기억매체로 쓸 수 없다.선폭을 줄이는 데 한계가 있기 때문이다.일반 자성 물질은 0.03㎛ 수준에 이르면 자기기록 밀도를 더 이상 향상시키기 어려운 한계에 도달하게 된다.
이런 물리적 한계를 극복하기 위해 제시된 방법의 하나가 나노미터(1㎚=10억분의 1m,머리카락굵기 10만분의 1) 크기의 회로에서도 자성을 갖는 소자를 개발하는 것이다.개개의 분자,원자,또는 분자군을 원하는대로 옮기고 조합시켜 다양한 물성을 지닌 물질이나 소재,장치를제조하는 나노크놀러지가 각광받는 배경이다.
과학기술부의 ‘테라급 나노소자 개발사업단’ 단장을 맡은 이조원(李兆遠·삼성종합기술원 반도체소자랩) 박사는 “나노테크놀러지를물리적인 크기로 정의하자면 1∼100㎚에서 일어날 수 있는 특성변화나 현상을 이용하는 기술”이라며 “반도체에 접목하면 미세화,집적도 향상이 필수적인 차세대 기억소자(나노소자)를 만들 수 있다”고설명했다.
눈에 보이지도 않는 나노미터 크기의 선폭을 이용해 기억소자를 만든다면 현재의 기가(G)보다 1,000배가 빠른 테라비트급(Tera,10의 12승) 집적도의 반도체 칩을 만드는 것이 가능해 진다.
이런 나노크기의 테라비트급 소자가 개발되면 슈퍼컴퓨터가 데스크탑 크기로 작아지고,각설탕 크기의 소자에 미의회 도서관 정보를 모두 저장할 수 있다.인간처럼 인식과 추론이 가능한 포켓형 슈퍼컴,인텔리전트 가전,스마트 로봇,3차원 가상현실 등이 현실화될 수 있다.
때문에 나노테크놀러지는 20세기에 실리콘이 가져 온 변화와 비교되지 않을 기술적·과학적 혁신을 인류에 가져올 것이라고 전망한다.
실리콘반도체의 한계를 뛰어넘을 수 있는 나노기술로는 양자효과를이용한 단전자 소자(SET),광기능소자,분자소자,바이오소자 등이 유망한 후보기술로 떠오르고 있다.이 가운데서도 전자 하나하나의 움직임을 제어함으로써 기존 반도체 소자의 미세화에 따른 물성 한계를 극복할 수 있는 단전자소자가 가장 실현 가능한 유망기술로 꼽힌다.단전자 소자는 전력소모가 적고 1테라비트 이상의 초고집적 및 초고속동작이 가능하다.
이 박사는 “나노소자가 실용화되려면 기억장치 분석기술 제작기술물질제조기술 등이 동시에 발전해야 한다”며 “우리의 생활에 엄청난 변화를 가져올 나노소자는 2010년 쯤에나 대량 생산이 가능할 것으로 기대하고 있다”고 말했다.
함혜리기자 lotus@.
*우리나라도 '테라급' 연구 본격화.
21세기 신수종(新樹種) 산업으로 국제적인 관심이 뜨거운 ‘테라급나노소자개발 사업’이 국내에서도 본격화되고 있다.
과학기술부가 21세기 프론티어사업의 일환으로 주관하고 있는 ‘테라급 나노소자 개발사업단’(단장 李兆遠)은 지난 8일 한국과학기술연구원(KIST)에서 개소식을 갖고 테라급 나노소자 개발작업에 들어갔다.
테라급 나노소자 개발사업은 향후 10년간 1,700억원 이상의 연구비가 소요되는 초대형 프로젝트.현재보다 처리속도 1,000배,용량 1,000배 이상인 초고속,초고집적 및 초저소비전력의 나노소자를 개발하는것이 사업단의 최종 목표다.
나노소자 사업은 기술확보를 통한 국가 기반기술 확보와 반도체기술 패권 장악을 통한 국부창출이라는 측면에서 의미가 크다.세계 반도체 시장은 순조롭게 성장,나노소자가 본격 생산될 2010년의 시장규모가 1조달러 정도로 예상되고 있다.미국 일본 유럽연합 등이 나노소자 분야에 막대한 자금을 투입하고 있는 이유다.
미국의 경우 특히 높은 관심을 나타내며 2000년에 2억7,000만달러,2001년에 4억9,500만달러의 예산을 책정해 연구를 지원하고 있다.상무성,국방성,에너지성,항공우주국,국립보건원,과학재단이 동원돼 기초연구와 대형 국책연구,연구인프라 구축,인력교육 등을 분담해 추진중이다.
일본도 부품산업의 강점을 지속시키기 위해 92년부터 일본 통상산업성과 과학기술청,문부성이 장기 국가프로젝트로 추진 중이다.독일 영국 프랑스 스웨덴 스위스 네덜란드 핀란드 등 유럽국가들은 90년대중반 이후 국가별 프로그램과 별도로 유럽연합 네트워크,대기업 연구소 연합,학회 등을 구성해 연구에 전념하고 있다.
사업단은 외국에 비해 4∼5년 뒤쳐진 국내 나노소자 분야의 경쟁력을 높이기 위해 동경공대,뉴욕 주립대,러시아 반도체연구소,중국 난징대 등의 해외 연구기관에 문호를 개방하고 공동연구 수행을 위해이달 말쯤 협력 조인식을 가질 계획이다.이와 함께 연구개발 인프라구축을 보완하기 위해 미국과학재단(NSF) 산하 ‘나노기술연구 네트워크’와 연계,연구실험 장비를 공동사용하고 연구진을 교환하는 방법도 강구하고 있다.
함혜리기자