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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 15285 -
전자전산학과 이민영씨, 최우수 학생논문상 수상
세계 13개국 75여편 논문 가운데서 최우수 학생논문으로 선정
전자전산학과(지도교수: 이희철) 박사과정에 재학중인 이민영(李民永, 32)씨가 최근 개최된 국제학술대회에서 최우수 학생논문상을 수상했다.
지난 9월 말 미국 보스턴에서 개최된『2005년 II-VI족 화합물 반도체에 관한 물리 및 화학 미국 워크숍(2005 U.S. WORKSHOP on the PHYSICS and CHEMISTRY of II-VI MATERIALS)』에서 표면처리에 따른 감마방사선이 미치는 영향에 관한 논문으로, 13개국 75여 편의 논문 가운데 최우수 학생논문으로 선정되었다.
이번 수상에 대해 이희철 지도교수는 “전 세계의 여러 나라에서 발표한 많은 논문들 가운데 우리나라 학생의 논문이 최우수 논문상으로 선정되어 자랑스럽다"고 말하면서, “국내에서 적외선소자 제작 및 분석에 관한 연구를 주도적으로 해온 KAIST 적외선센서연구실(IRIS)의 노력의 결실”이라고 그 의미를 밝혔다.
한편, 『II-VI족 화합물 반도체 분야 국제학술대회』는 적외선, 자외선, x선, 및 감마선 감지소자에 널리 쓰이는 II-VI족 화합물 반도체의 물리적, 화학적 특성 분석 및 응용에 초점을 맞추어 매년 미국에서 개최되며, 이 학회에 발표된 논문은 전자재료학회지(Journal of Electronic Material)에 게재된다.
▶논문제목
브롬 및 히드라진 처리한 HgCdTe 광다이오드에 미치는 감마방사선의 영향 비교 (A Comparison of Gamma Radiation Effects on Bromine- and Hydrazine-treated HgCdTe Photodiodes)
▶ 논문저자 : 이민영, 김영호, 이남호, 이용수, 이희철
▶ 논문내용
우주공간이나 원자력발전소와 같이 방사능 물질-이를테면, 감마선, 알파선, 중성자 등-에 노출되기 쉬운 환경에서 적외선 센서의 수요가 나날이 증가하고 있는데, 이러한 적외선 센서 제작에 주로 사용되는 물질이 HgCdTe이다. 적외선대역에 쓰이는 물질이기 때문에 에너지 밴드갭이 0.1~0.2eV 정도로 아주 작아 표면처리 및 표면보호막의 종류에 따라 소자의 특성이 현저히 달라진다. 본 논문에서는 표면보호막을 ZnS/CdTe 이층구조로 고정하고, 표면처리방법으로 기존에 널리 사용되던 브롬 처리와 새롭게 도입한 히드라진 처리를 하였을 때, 감마방사선 조사에 따른 소자의 특성변화를 비교 평가하였다.
▶ 최우수논문상 선정이유
감마방사선 조사에 따른 특성변화를 체계적으로 잘 분석하였으며, 새롭게 도입한 히드라진 처리법의 우수성을 I-V, C-V 및 XPS 표면분석 등을 통하여 훌륭하게 입증하였다.
▶ 수상 소감
적외선센서에 관한 연구가 국내 학계에서 점점 희박해지고 있는 가운데 받게 된 상이라서 개인적으로 더 뜻이 깊고, 남은 연구에 큰 힘이 될 것 같다.
2005.10.20 조회수 15125 -
KAIST부설나노종합팹센터 초대소장에 이희철교수 선임
KAIST(총장 : 洪昌善)는 29일(목) 서울 인터컨티넨탈호텔에서 임시 이사회(이사장 : 林寬)를 개최하고 부설 나노종합팹센터 초대 소장에 KAIST 전기 및 전자공학전공 이희철(李熙哲, 50) 교수를 선임했다고 밝혔다.
KAIST는 지난 8일부터 10여일 동안 과학기술분야 및 기관경영에 대한 전문지식과 식견을 갖춘 자를 대상으로 소장 후보를 공모했으며, 이날 이사회에서 공모 신청 후보들에 대한 심의를 거쳐 李 교수를 초대 소장으로 선임했다. 李 소장은 과기부장관의 승인을 거쳐 임기 3년의 소장 임무를 수행하게 된다.
산업계, 학계, 연구계의 나노기술 관련 △연구개발 시설 및 장비의 공동활용 △전문인력 양성 △연구성과의 실용화 △벤처기업 창업지원 △연구개발 등의 업무를 진두 지휘하게 될 중임을 맡게된다.
李 소장은“지난 2002년 7월에‘나노종합팹센터’가 선정 확정된 지도 만 21개월이 지났다. 내년 초 팹 서비스 개시라는 당초의 목표 일정을 앞두고 단기적으로 준비해야 할 문제들이 산적해 있다”며,“이제, KAIST 부설기관으로 거듭나는 나노종합팹센터의 향후 3년간은 성공적인 운영과 미래를 위한 토대가 마련되는 매우 중요한 시기라고 생각한다. 본인은 우리나라 나노기술 발전을 좌우할 국가적인 중차대한 사명과 임무를 지닌 나노종합팹센터 소장으로서 막중한 책임감을 느끼며, 산-학-연에 종합적인 나노관련 연구지원 서비스를 제공함으로써 국내 나노기술의 저변확대와 더불어, 국내 나노기술이 선진 5개국 수준에 진입할 수 있는 기반을 마련하는데 최선을 다하겠다”고 밝혔다.
2004.05.11 조회수 17324