인더뉴스 이진솔 기자ㅣ차세대 반도체, 2차 전지 분야에서 기술 한계를 극복할 연구 성과가 나왔다. 모두 삼성전자가 2년 전부터 지원해온 연구 과제다.
삼성전자는 삼성미래기술육성사업 지원을 받는 미래 부품 소재 연구 과제가 세계적인 학술지에 기재되며 성과를 내고 있다고 24일 밝혔다.
삼성전자는 지난 2013년부터 삼성미래기술육성사업으로 10년간 1조 5000억 원을 지원하고 있다. 지금까지 534개 과제에 6852억 원을 집행했다.
삼성전자에 따르면 고려대 신소재공학부 이경진 교수 연구팀이 국제 공동연구로 개발한 차세대 반도체 분야 신기술이 지난 18일(현지 시간) 학술지 ‘네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)’에 발표됐다. 지난 2017년 12월 삼성전자가 삼성미래기술육성사업 지원과제로 선정한 연구다.
세계 최초로 개발된 이번 연구는 새로운 자성소재로 MDW(Magnetic Domain Wall)-MRAM 소비 전력을 95% 이상 줄이는 원천기술이다.
DRAM은 초고속 데이터처리, 고밀도 저장, 저전력 구동 등 강점이 있지만, 데이터가 저장되도록 전원 공급이 끊임없이 이어져야 한다. 전원 문제를 해결하고자 자성 소재에 스핀을 주입해 구동하는 MDW-MRAM이 개발됐다. 하지만 고밀도 데이터를 저장하는데 필요한 구동 전류가 너무 높다는 단점이 있었다.
이경진 교수 연구팀은 MDW-MRAM에 기존 강자성(Ferromagnets) 소재를 새로운 페리자성(Ferrimagnets) 소재로 바꿨다. 그 결과 스핀 전달 효율이 20배 정도로 커져 구동 전류 효율이 20배 이상 개선됐다. 삼성전자는 “소비전력을 전보다 95% 이상 절감할 돌파구를 제시한 것”이라고 평가했다.
이경진 교수는 “이번 연구 결과는 차세대 MDW-MRAM 기술 난제였던 높은 전력 소모 문제를 해결할 가능성을 보여줬다는 것에 큰 의미가 있다”며 “MRAM은 비휘발성, 고밀도, 저전력을 동시에 만족하는 특성이 있어 향후 4차 산업혁명 기술발전에 있어 파급 효과가 클 것으로 기대한다”고 말했다.
2차 전지 연구에서도 신기술에 적용될 성과가 나왔다. 성균관대 윤원섭 교수와 고려대 강용묵 교수 공동 연구팀은 2차 전지 충전용량 한계를 극복할 기술을 개발했다.
이 기술은 지난 2일 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 발표됐다. 삼성전자는 이번 연구를 지난 2017년 6월부터 지원해왔다.
2차 전지를 얼마나 오래 쓸 수 있는지는 양극 소재 성능이 결정한다. 현재 양극 소재는 전기를 운반하는 양이온층과 금속산화물층이 교대로 적층된 형태다. 전지 충전과 방전 과정에서 일정량이 넘는 양이온이 움직이면 층간 구조가 무너져 회복되지 않는 성질이 있다.
이때 구조 변화에 따라 양극 소재가 본래 저장할 수 있는 충전용량을 모두 사용할 수 없다는 문제가 발생한다. 이는 2차 전지 성능 한계로 지적돼왔다.
공동 연구팀은 망간계 산화물인 버네사이트(Birnessite)를 이용하면 층과 층 사이에 있는 결정수(crystal water) 양과 위치에 따라 층간 구조적 특징을 제어할 수 있다는 점에 착안했다. 이를 활용하면 충전과 방전 과정에서 생기는 구조 변화를 가역적으로 바꿀 가능성이 생긴다.
윤완섭 교수는 “이번 연구 결과는 충·방전 과정에서 생기는 양극 소재 구조 변화를 근본적으로 뛰어넘을 수 있는 새로운 패러다임을 최초로 제시한 연구 결과”라고 말했다.
강용묵 교수는 “가역적 구조변화가 다양한 적층 소재에 확대 적용될 수 있다면 이론적 한계에 거의 도달한 2차 전지 양극 소재 개발에 박차를 가할 것”이라고 말했다.
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