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'차세대 소자'통합검색 결과 입니다. (6건)

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세계 첫 상온 양자역학 현상 발견…"성능 10배 우수한 소자개발 가능"

국내 연구진이 상온에서 구현되는 양자 역학 현상을 세계 처음 발견했다. 10배 정도 뛰어난 고효율의 차세대 양자 소자 개발이 기대된다. 과학기술정보통신부는 KAIST 이경진·김갑진 교수와 서강대학교 정명화 교수 공동연구팀이 세계 최초로 상온에서 양자역학적 스핀 펌핑 현상을 발견했다고 30일 밝혔다. 국제학술지 '네이처'(현지시간 1월29일)에 게재된 이 연구 결과는 세 가지 점에서 눈길을 끌었다. 기존 스핀트로닉스 연구가 고전역학적인 관점으로 자화운동을 해석해왔다면, 이 연구는 스핀트로닉스에서 양자역학적인 접근이 필수적임을 증명했다. 이는 스핀트로닉스 기술이 단순한 전자소자 응용을 넘어 양자 기술의 핵심적인 기반이 될 수 있음을 보여준다는 점에서 의미가 크다. 스핀 연구의 패러다임을 바꿀만한 연구 성과라는 것이다. 특히, 대부분의 양자역학적 현상은 극저온에서만 관측되는 것과 달리, 이번 연구는 상온에서 양자역학적 스핀 펌핑 현상을 관측했다는 점에서 연구팀들은 큰 의미를 부여했다. 또 다른 의미는 재료-측정-이론 각 분야의 전문성이 결합된 공동연구의 성공사례라는 점이다. 정명화 교수 연구팀은 먼저 철로듐합금(FeRh) 박막을 고품질로 제작하는데 성공했다. 김갑진 교수 연구팀은 FeRh의 독특한 자기 상전이를 활용해 스핀을 만들어낼 수 있을 것이라는 아이디어를 제시했다. 실험을 통해 예상보다 훨씬 큰 스핀전류가 관측되었지만 그 의미를 해석하지 못하던 중, 이경진 교수 연구팀이 양자역학적인 스핀 펌핑 개념을 제안하고 이를 추가적인 실험과 이론으로 증명했다. 정명화 교수는 "상전이 순간에 발생하는 스핀을 측정하기 위해서는 나노초(10의 9승초) 수준의 짧은 시간 동안 매우 작은 신호를 정밀하게 포착할 수 있는 기술이 필요하다"며 "오랜 시간 반복적인 측정을 통해 데이터를 축적해야 하기 때문에 끈기와 노력이 요구된다"고 말했다. 정 교수는 "공동 제1저자인 이택현 박사가 실시간 스핀 측정법을 스스로 제안하고 이를 구현했다"며 "박민태 박사는 끈기 있는 측정을 통해 양자역학적인 스핀 펌핑 현상을 실증했다"고 칭찬했다. 정 교수는 또 "기존 고전역학적 방식에 비해 10배 이상의 스핀 전류를 생성하는 방법을 제시한 것도 차세대 전자 소자 개발에 기여할 것"으로 기대했다. 스핀펌핑 방법으로 양자소자 제작 가능성 제시 전자는 전기적인 성질인 전하와 자기적인 성질인 스핀을 동시에 갖고 있다. 물질 내에서 전자가 이동하는 현상인 전류는 전하가 이동해 발생하는 전하 전류와 스핀의 이동으로 발생하는 스핀 전류로 나뉜다. 대부분의 전자기기는 전하 전류로 작동한다. 하지만 전류가 흐를 때 전자가 물질 내부 원자와 충돌하기 때문에 필연적으로 열이 발생하고, 이는 에너지 소모량 증가와 효율 저하로 이어진다. 이를 극복하기 위해 스핀 전류를 이용해 전자 소자를 만드는 연구를 진행 중이다. 이를 '스핀트로닉스(spintronics)'라고 한다. 스핀트로닉스 기술 구현의 핵심은 스핀 전류를 생성하는 것으로, 스핀 전류 생성의 여러 방법 중 하나는 스핀 펌핑(spin pumping)이다. 스핀 펌핑은 자성체와 비자성체를 접합했을 때, 스핀이 세차운동에 의해 자성체에서 비자성체로 이동하는 현상이다. 고전역학으로 생성되는 스핀 전류는 크기가 작아 실제 전자 소자에는 활용이 제한적이었다. 이를 국내 연구진이 세계 처음으로 극복한 것이다. 정명화 교수는 “기존 스핀트로닉스 연구는 고전적인 스핀 운동을 이용해 온 반면, 이번 연구는 스핀의 양자적인 특성을 활용해 응용 측면에서도 더 효과적이라는 점을 증명한 것에 의의가 있다”고 밝혔다.

2025.01.30 21:04박희범

KAIST, 차세대 반도체 소자 개발…성능 획기적 개선

실리콘 반도체 대비 성능을 획기적으로 개선한 차세대 반도체 소자가 개발됐다. KAIST는 전기및전자공학부 이가영 교수 연구팀이 나노 반도체 인듐 셀레나이드(InSe) 기반의 혁신적인 양극성 다기능 트랜지스터를 개발했다고 30일 밝혔다. 인듐 셀레나이드는 실리콘 반도체보다 전자 이동도가 뛰어나고 포화 속도가 두 배 이상 빠른 장점을 갖는다. 그러나 주로 N형 반도체로만 사용됐다. P형 반도체 및 상보적 회로 구현에 필요한 양(Positive)) 전하를 띄는 정공을 유도하기 어렵기 때문이다. 연구팀은 이를 N형과 P형 트랜지스터에 모두 적용하기 위해 소자 구조를 새로 설계했다. 인듐 셀레나이드 하부에 전극을 배치하고 금속-반도체 접합 특성을 개선, 전자와 정공이 선택적으로 흐를 수 있는 양극성 특성을 구현했다. 이같은 설계 결과 N형 및 P형 전류 꺼짐/켜짐 비가 모두 10의 9승(10억) 이상에 달하는 성능을 기록했다. 실리콘 반도체 소자는 일반적으로 10의8승 이하 꺼짐/켜짐 비의 단극성을 띤다. N형과 P형 구동이 동시에 가능한 양극성 2차원 반도체의 경우도 N형과 P형 꺼짐/켜짐 비가 동시에 10의 8승 이상인 경우는 없었다. 이가영 교수는 “다기능 소자들은 일반적으로 복잡한 공정 과정과 구조를 요구해 제작과 집적에 어려움이 있다"며 "이번 연구에서는 간단한 부분 게이트 구조를 도입해 하나의 소자에서 다양한 기능을 구현할 수 있는 다기능 소자를 제작하는 데 성공했다”고 말했다. 이 교수는 “이 기술은 공정 효율성을 높이고 회로 설계 유연성 향상에 기여할 것"이라며 "인듐 셀레나이드를 기반으로 한 P형 응용 가능성을 새롭게 밝혀, 궁극적으로는 상보적 다기능 시스템으로서의 활용 가능성을 열었다"고 덧붙였다. 이 연구에는 KAIST 전기및전자공학부 김민수 석박통합과정, 염동주 석사과정, 석용욱 박사과정 연구생이 공동 제1 저자로 참여했다. 한국기초과학지원연구원 국가연구시설장비진흥센터, 한국연구재단 우수연구사업, KAIST 도약연구(UP) 사업, 그리고 삼성전자 지원을 받았다. 연구결과는 나노 물리 분야 국제 학술지 '나노 레터스(Nano Letters)'에 표지 논문으로 게재됐다.

2024.12.30 21:04박희범

POSTECH, 세계 첫 초정밀 '메타렌즈' 개발…"신소재 800℃로 가열"

보다 더 정교하게 빛을 다룰 수 있는 신개념 소재가 개발됐다. 이를 이용할 경우 초정밀 메타렌즈 제작이 가능할 전망이다. POSTECH(포항공과대학교)은 기계공학과·화학공학과·전자전기공학과 노준석 교수 연구팀이 고려대 신소재공학과 이헌 교수 연구팀과의 공동으로 고효율 메타렌즈를 위한 새로운 개념의 이산화 티타늄(TiO2) 소재를 개발했다고 28일 밝혔다. 이 연구는재료 분야 국제 학술지인 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)'에 게재됐다. 메타렌즈는 나노미터 크기의 구조체다. 빛을 정밀하게 제어할 수 있어 통신이나 의료, 카메라 등의 분야에서 주목받고 있다. 예를 들어 메타렌즈를 사용하면 지금보다 훨씬 얇고 선명한 카메라를 만들 수 있다. 병원에서 사용하는 초음파나 내시경 같은 장비에 적용하면, 더 작고 정밀한 기기 제작이 가능해진다. 연구진은 '이산화티타늄'이라는 재료를 잉크처럼 만들어 나노임프린트 리소그래피 공정에 적용해 메타렌즈를 제작했다. 이 잉크는 열을 가하면 빛을 더 잘 모을 수 있는 성질로 바뀌는데, 예를 들어 800℃로 가열할 때 최고의 성능을 발휘한다. 도자기를 만들 때 진흙에 열을 가해 튼튼하고 정교한 작품을 만드는 것과 같은 원리다. 연구진은 800℃로 가열할 경우 이산화티타늄이 루타일(rutile) 결정상으로 변화하며 굴절률이 2.8~3.0 정도로 처음보다 2배 가까이 상승했다. 굴절률이 높을수록 빛을 잘 제어한다는 것을 의미한다. 연구팀은 직경 1cm의 메타렌즈를 웨이퍼 규모로 제작했다. 이 메타렌즈는 이론적으로 100%에 가까운 효율을, 실험적으로는 70% 이상의 효율을 나타냈다. 노준석 교수는 “기존에 주로 사용하던 비정질 이산화 티타늄의 아나타제 상과 루타일 결정상을 가진 메타표면을 세계 최초로 구현했다"며 "메타렌즈 연구에서 재료와 굴절률의 한계를 극복했다”고 말했다.

2024.11.28 13:20박희범

양자물질 전자 분포 제어 성공…"차세대 초미세 반도체 소자 개발 가능"

양자물질의 전자 분포를 자유자재로 제어하는 원천기술이 개발됐다. 향후 차세대 초미세 반도체소자 개발이 가능해질 전망이다. POSTECH(포스텍)은 물리학과 · 융합대학원 박경덕 교수 연구팀이 초고분해 극초단 펄스 전압조절기를 개발했다고 20일 밝혔다. 박경덕 교수는 "나노 공간에서 2차원 양자물질의 전자 분포를 자유자재로 조절할 수 있게 됐다"며 "향후 양자물질의 전기적 · 광학적 특성 변화를 조사하는 것이 가능해졌다"고 말했다. 양자물질의 전자 분포를 조절하면 2차원 반도체의 상전이, 전도도 변화, 반도체 입자 형성 및 거동을 제어할 수 있게 된다. 연구팀은 "초전도 특성을 가지는 반도체나 특수한 나노격자 구조를 이용한 메모리 구현이 가능하다"고 설명했다. 저차원 양자물질의 전자 분포와 밀도 조절을 위한 대표적인 방법으로 화학적 전하주입법과 정전기적 전하주입법이 있다. 이 중 정전기적 전하주입법은 가역적이고 비파괴적이며, 빠르고 안정적인 전자 분포 조절이 가능하다는 장점이 있다. 그러나 나노 공간에서의 정전기적 전하주입법은 아직까지 숙제였다. 반도체 나노 공간에 전기장을 걸더라도 전자의 빠른 확산으로 인해 전자 분포가 넓어져 제어가 불가능해진다는 것. 이형우 연구원(논문 공동 제1저자, 석박사통합과정)은 "2차원 반도체의 무작위적인 전자 확산은 초미세 반도체소자 개발에 있어 큰 제약이었다"고 말했다. 연구팀은 이 문제를 원자힘 현미경, 전도성 나노광학 안테나 탐침, 초고분해 분광장치, 고속 교류전압 펄스 발생기를 연동 결합한 초고분해 극초단 펄스 전압조절기를 개발해 해결했다. 이형우 연구원은 "나노 공간에서 저차원 양자물질의 전자 분포를 조절하는 장비를 최초로 구현했다"며 "복잡한 미세 전극 소자가 필요한 기존 방식과 달리 나노광학 안테나 탐침에 고속 교류전압을 걸어 저차원 양자물질의 전자 밀도를 나노 공간에서 자유자재로 조절하는 데 성공했다"고 부연 설명했다. 연구팀은 이 장비를 이용해 2차원 반도체인 이황화몰리브덴(MoS2) 단일층의 전기적 및 광학적 특성을 나노 공간에서 정밀하게 제어했다. 또 이황화몰리브덴 나노 공간 내 반도체입자들이 상호 변환되며, 동시에 이황화몰리브덴 단일층의 광발광 양자수율에도 변화가 있는 물리적 현상을 규명했다. 연구팀은 여기서 한 발 더 나아가 고속 교류전압 펄스 폭에 따른 광발광 세기 측정과 이와 연관한 이론적 모델링을 통해 초고분해 극초단 펄스 전압조절기에 의해 전자 분포 제어가 나노 공간에서 가능함을 검증했다. 김수정 연구원(논문 공동 제1저자, 석박사통합과정)은 ”2차원 반도체의 무작위적인 전자 확산 난제를 극복하고 이의 능동적제어까지 가능해졌기 때문에 전자 밀도의 공간적 변화에 의해 반도체소자에서 발생하는 다양한 물리현상들을 다각적으로 규명할 수 있을 것”이라고 전했다. 한편, 연구에 사용된 2차원 반도체 물질의 제작은 성균관대 김기강 교수팀, 고 유전상수 산화물박막 제작은 울산과학기술원(UNIST) 박형렬 교수팀이 참여했다. 연구는 한국연구재단과 삼성미래기술육성재단 등의 지원을 받아 수행됐다. 연구결과는 국제 학술지 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)'(11월16일자)에 온라인으로 게재됐다.

2024.11.20 14:17박희범

CPU·GPU 에너지 사용 100만분의 1로 줄인 '열컴' 나오나

기존 CPU나 GPU가 사용하는 에너지의 100만분의 1만으로도 경로찾기 등 복합한 최적화 계산을 할 수 있는 차세대 열 컴퓨팅 기술이 개발됐다. 인공지능과 딥러닝 등의 확산에 따른 전기 에너지 사용량이 현안으로 부상한 가운데 공개된 혁신적인 컴퓨팅 구동 기술이어서 과학기술계의 관심을 끌었다. KAIST는 신소재공학과 김경민 교수 연구팀이 미국 샌디아 국립연구소와 공동으로 산화물 반도체의 열-전기 상호작용에 기반하는 열 컴퓨팅(Thermal computing) 기술 개발에 성공했다고 26일 밝혔다. 연구팀은 반도체 소자에서 발생하는 열이 CPU의 계산 성능을 떨어뜨리고, 이 열을 처리하는 추가 비용이 발생한다는데 주목했다. 이 같은 문제 해결 방안으로 연구팀은 전기-열 상호작용이 강한 산화나이오븀(NbO₂) 기반의 모트 전이 (Mott transition) 반도체를 눈여겨 봤다. 모트 전이 반도체는 온도에 따라 전기적 특성이 부도체에서 도체로 변하는 전기-열 상호작용이 강한 반도체 소자다. 연구팀은 낮은 열전도도와 높은 비열을 가지고 있는 폴리이미드 기판으로 모트 전이 반도체 소자를 제작했다. 소자에서 발생한 열은 폴리이미드 기판에 저장했다. 저장된 열은 일정 시간 동안 유지돼 시간적 정보 역할을 했다. 또 이 열은 공간적으로도 이웃 소자로 전파되면서 공간적 정보 역할도 했다. 연구팀은 "열 정보를 시,공간적으로 활용해 컴퓨팅을 수행할 수 있었다"며 "CPU나 GPU가 쓰는 에너지 소모량 대비 1백만분의 1 정도만 써도 경로 찾기 등과 같은 복잡한 최적화 문제를 풀수 있었다"고 부연 설명했다. 김경민 교수는 “버려지던 반도체 소자 열을 컴퓨팅에 활용하는 개념을 최초로 제안했다"며 "열 컴퓨팅 기술을 활용하면 뉴런과 같은 신경계의 복잡한 신호도 매우 간단히 구현할 수 있다"고 말했다. 김 교수는 또 고차원의 최적화 문제를 기존의 반도체 기술을 바탕으로 해결할 수 있어 양자 컴퓨팅의 현실적인 대안이 될 수 있다”고 기술의 장점을 강조했다 이 연구는 KAIST 신소재공학과 김광민 박사과정, 인재현 박사, 이영현 박사과정 연구원이 공동 제1 저자로 참여했다. 관련 논문은 재료 분야 국제 학술지 `네이처 머티리얼즈(Nature Materials, Impact factor: 41.2)'(6월18일자)에 게재됐다.

2024.06.26 05:06박희범

한국공대, 연산 기능 갖춘 지능형 메모리 반도체소자 개발

국내 대학 연구팀이 연산기능과 메모리 기능을 통합한 지능형 반도체소자 개발에 성공했다. 한국공학대학교(총장 황수성)는 안승언 교수(나노반도체공학과) 연구팀이 차세대 지능형 반도체에 활용 가능한 로직 연산과 메모리 기능을 통합한 강유전체 기반 프로세스-인-메모리(PIM) 소자 개발에 성공했다고 12일 밝혔다. 이번 연구 결과는 'Exploring Multi-Bit Logic In-Memory with Memristive HfO2-Based Ferroelectric Tunnel Junctions'라는 제목으로 전자 소자·재료과학 분야 저명 학술지 'Advanced Electronic Materials' 3월 8일자 표지논문으로 선정됐다. 연구에는 박사과정 고원우(제1저자), 황현주(공저자) 학생이 참여했다. 연구팀 관계자는 “최근 빅데이터를 기반으로 하는 인공지능(AI) 기술발전이 가속하면서 메모리와 프로세서가 분리돼 데이터를 처리하는 '폰노이만(Von Neumann)' 컴퓨팅 시스템 구조 데이터처리 속도에 한계가 나타나고 있다”며 “저전력·멀티레벨 스위칭·고속 동작이 가능한 프로세서와 메모리를 통합한 신개념 반도체소자 개발 필요성이 대두되고 있다”고 설명했다. 연구팀은 하프늄-지르코늄 산화물을 기반으로 강유전체 터널 접합(FTJ) 형태 멤리지스터(메모리+레지스터)를 구현해 멀티레벨 스위칭과 신뢰성을 확보하고 중간 레벨(inter-state) 간 스위칭을 구동하는 데 성공했다. 소자의 스위칭 특성을 조합해 NAND, NOR, OR 등 16가지 논리 연산 기능을 카르노 맵을 통해 제시해 PIM 응용 가능성도 검증했다. 안승언 교수는 “최근 새로운 개념의 컴퓨팅 시스템 구현을 위해 다양한 PIM 소자 연구 결과가 발표되고 있지만 비휘발성 멀티레벨 신뢰성과 중간 레벨 간 스위칭 구동 연구가 여전히 초기 단계에 있는 상황에서 이번 연구의 진일보한 결과는 차세대 지능형 반도체 분야의 기술적·학문적 도약에 기여할것으로 기대한다”고 밝혔다. 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 중견연구자지원사업과 산업통상자원부가 지원하는 미래반도체개발사업의 지원으로 수행했다.

2024.03.12 21:34주문정