[IT 톺아보기] 차세대 반도체 '자성메모리', 초저전력 기술 탑재
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[IT 톺아보기] 차세대 반도체 '자성메모리', 초저전력 기술 탑재
  • 김상혁 기자
  • 승인 2020.05.31 08:17
  • 댓글 0
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플래시메모리·D램 장점 합쳐, 전력 소모 1/100 수준
폐타이어 속 철심 활용, 수소 생산 비용 절감
그래핀 중간층 삽입 기술, 태양전지 효율 증가
연일 터지는 정치·사회 뉴스에 빠져 정작 중요한 것을 놓치기 일쑤죠. 21세기 미래를 바꿀 IT기술, 인포테인먼트 소식입니다. 미래 먹거리일 뿐 아니라, 흐름을 놓쳤다간 금방 시대에 뒤처지게 됩니다. <오피니언뉴스>는 매주 주요 IT, 과학기술, 게임 소식들을 짤막하게 모아 소개합니다. 먼 미래가 아닌 눈앞의 미래에 상용화될 IT기술을 주로 다루려합니다.  [편집자 주]
KIST 스핀융합연구단 이기영 박사팀이 개발한 초저전력 차세대 자성메모리 반도체 소자. 사진=KIST 제공
KIST 스핀융합연구단 이기영 박사팀이 개발한 초저전력 차세대 자성메모리 반도체 소자. 사진=KIST 제공

[오피니언뉴스=김상혁 기자] 자성메모리(MRAM)는 차세대 반도체로 주목받고 있습니다.

◆ 차세대 반도체 '자성메모리', 초저전력 기술 탑재 

우선 전원이 꺼져도 자료가 지워지지 않는 플래시 메모리의 성질을 가지고 있습니다. D램보다는 아직 못하지만 처리 속도도 제법 빠릅니다. 또 자석 특성을 이용해 기존 전류 기반 메모리보다 데이터를 더 빠르고 안정적으로 저장합니다.

하지만 아직 상용화는 이른데요. 자성메모리는 특정 방향으로 회전하면서 정보를 저장하는 전자가 회전 방향을 바꿀 때 전력 소비가 극심하다는 단점이 있기 때문입니다.

이런 가운데 한국과학기술연구원(KIST)은 차세대반도체연구소 스핀융합연구단 이기영 박사팀과 에너지소재연구단 손지원 단장 연구팀이 자성메모리 반도체 소자에 수소이온을 주입할 수 있는 층을 추가해 전력 소비를 줄이면서 회전 방향 전환 속도를 획기적으로 높이는 데 성공했다고 발표했습니다.

연구팀은 연료전지에서 전해질로 사용되는 '이트리아 안정화 지르코니아' 층을 접목해 수소이온을 주입했습니다. 그 결과 기존 자성메모리보다 소비하는 전력이 100분의 1 수준으로 줄었습니다. 동시에 소자의 회전 속도도 100배 높였습니다.

현재 작은 서버 한대가 사용하는 전력은 어지간한 가정집에서 소모하는 전력을 능가하는 수준입니다. 향후 자성메모리의 속도만 개선된다면 전력 효율의 획기적인 개선이 기대됩니다.

◆ 폐타이어로 수소 경제 활성화 앞당긴다

폐기되는 타이어를 활용해 친환경 에너지원인 수소 생산의 비용을 크게 절감할 수 있는 기술이 개발됐습니다. 수소 경제 플랫폼의 걸림돌 중 하나인 경제성 문제를 어느 정도 해결하는데 도움이 될 것으로 보입니다.

이성철 한양대 화학공학과 교수 연구팀은 타이어 속 철심을 활용한 복합체를 개발해 수소 생산의 효율을 높이는 데 성공했다고 밝혔습니다.

수소는 차세대 친환경 연료로 꼽힙니다. 하지만 수소를 얻기 위해 물을 전기분해 하는 과정에서 백금·이리듐·루테늄 등의 값비싼 금속 촉매가 필요해 상용화가 어려웠습니다. 그런데 연구진은 폐타이어 속 스테인리스강을 이용해 수소 생산 비용을 90% 가량 낮추는데 성공했습니다.

연구진은 물 분해 촉매를 니켈·몰리브데늄으로 만들었고, 이를 철심에 고정시킨 'MoNi4/SSW'와 'Rs-SSW'라는 복합체를 개발했습니다.

이 물질은 기존의 백금·이리듐보다 성능과 내구성이 뛰어난 것으로 나타났습니다. 또 고농도·고온·고전류 밀도에서도 과전압이 낮아 훨씬 적은 전기로 수소를 생산할 수 있습니다. 이성철 교수팀은 현재 'MoNi4/SSW'와 "SSW-RS' 복합체에 관한 특허출원을 한 상태입니다.

금속 기반 하이브리드 투명 전극 제작 공정 모식도(그림 A), 전극의 투명도(그림 B), 전극의 모습(그림 C). 사진=울산과학기술원 제공
금속 기반 하이브리드 투명 전극 제작 공정 모식도(그림 A), 전극의 투명도(그림 B), 전극의 모습(그림 C). 사진=울산과학기술원 제공

◆ '그래핀 삽입'으로 태양전지 효율 극대화

2차원 물질인 그래핀을 이용해 차세대 태양전지의 효율을 크게 높일 수 있는 기술이 개발됐습니다.

울산과학기술원(UNIST)은 효율이 높고 가격이 저렴해 차세대 태양전지로 주목받는 '페로브스카이트 태양전지'의 안정성을 높일 전극을 개발했다고 밝혔습니다.

빛 에너지와 전기 에너지를 서로 전환하기 위해서는 투명하고 전자를 잘 이동시키는 전극이 들어간 '광전소자'가 필요합니다. 현재까지는 금속산화물 기반 전극(ITO)을 사용했는데, 딱딱하고 쉽게 부서져 웨어러블 디바이스에 적용하기 힘들었습니다.

또 페로브스카이트 태양전지에 적용하면 페로브스카이트(광활성층)에 포함된 할로겐 원소가 금속산화물 쪽으로 이동해 전극과 광활성층이 동시에 분해되는 문제도 있었는데요.

연구진은 그래핀 층을 삽입해 마치 방패처럼 사용하는 방법으로 해결했습니다.

그래핀은 전기 전도도가 높으면서도 원자는 이동하기 어려울 정도로 촘촘한 '불침투성' 성질을 가지고 있습니다. 따라서 그래핀을 금속 투명 전극과 페로브스카이트 광활성층 사이에 삽입하면, 전자(전하)는 잘 흐르지만 할로겐 원소는 이동하지 못해 기존의 분해 문제도 해결할 수 있었습니다.

연구팀의 실험결과 전지는 16.4% 광전변환효율을 기록했습니다. 또 1000시간이 지나도 초기 효율의 97.5% 이상을 유지했고, 5000번을 굽히는 실험 후 초기 효율의 94%를 유지하는 결과를 얻었습니다.

이같은 그래핀 중간층 삽입 방식은 태양전지 뿐 아니라 , 스마트 센서 등 페로브스카이트 기반의 다양한 차세대 유연 광전 소자 개발에도 크게 도움이 될 것으로 보입니다.


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