UNIST, 반도체 소자 크기 더 줄였다…정보처리속도 빨라져
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안현상
작성일20-06-25 09:53
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울산과학기술원-삼성전자 종합기술원 공동연구
반도체 내부 전기 간섭 최소화하는 소재 개발
[서울=뉴시스] 울산과학기술원(UNIST) 자연과학부 신현석 교수.[서울=뉴시스] 이재은 기자 = 반도체 칩 안의 소자를 더 작게 만들 수 있는 새로운 소재가 개발됐다. 이 소재를 이용하면 메모리와 같은 반도체 칩의 작동 속도를 더 빠르게 만들 수 있을 것으로 기대된다.
울산과학기술원(UNIST) 자연과학부 신현석 교수팀이 삼성전자 종합기술원의 신현진 전문연구원팀, 기초과학연구원(IBS) 등과 국제공동연구를 통해 반도체 소자를 더 미세하게 만들 수 있는 ‘초저유전율 절연체’를 개발하는데 성공했다.
반도체 소자의 크기를 줄임과 동시에 정보처리속도를 높일 수 있는 핵심적인 방법이 절연체의 유전율을 낮추는 것인데, 공동 연구팀이 기존 절연체 보다 30% 이상 낮은 유전율을 갖는 ‘비정질 질화붕소 소재’를 합성하는데 성공한 것이다.
과학기술정보통신부와 UNIST는 이번 성과가 세계 최고 권위의 학술지 네이처에 25일 게재되었다고 밝혔다.
현재와 같은 나노미터 단위의 반도체 공정에서는 소자가 작아질수록 내부 전기 간섭 현상이 심해져 오히려 정보처리 속도가 느려지게 된다. 이러한 이유로 전기 간섭을 최소화하는 낮은 유전율을 가진 신소재 개발이 반도체 한계 극복의 핵심이라고 알려져 있다.
현재 반도체 공정에서 사용되는 절연체는 다공성 유기규산염(p-SiCOH)으로 유전율이 2.5 수준이다. 이번에 공동연구팀이 합성한 비정질 질화붕소의 유전율은 1.78로 기술적 난제로 여겨진 유전율 2.5이하의 신소재를 발견한 것이며, 이를 통해 반도체 칩의 전력 소모를 줄이고 작동 속도도 높일 수 있을 것으로 기대된다.
연구팀은 이론적 계산 및 포항가속기연구소 4D 빔라인을 활용해 비정질 질화붕소의 유전율이 낮은 이유가 ‘원자 배열의 불규칙성’ 때문이라는 점도 밝혀냈다.
뿐만 아니라, 기존에는 유전율을 낮추기 위해 소재 안에 미세한 공기 구멍을 넣어 강도가 약해지는 문제가 있었으나, 비정질 질화붕소는 물질 자체의 유전율이 낮아 이러한 작업 없이도 높은 기계적 강도를 유지할 수 있게 됐다.
제1저자인 홍석모 UNIST 박사과정 연구원은 “낮은 온도에서 육방정계 질화붕소가 기판에 증착되는지 연구하던 중 우연히 ‘비정질 질화붕소’의 유전율 특성을 발견했고, 반도체 절연체로써 적용 가능성을 확인했다"고 설명했다.
교신저자인 신현석 UNIST 교수는 “이 물질이 상용화된다면 중국의 반도체 굴기와 일본의 수출 규제 등 반도체 산업에 닥친 위기를 이겨내는 데 큰 도움이 될 것”이라며 “‘반도체 초격차 전략’을 이어갈 수 있는 핵심 소재기술”이라고 강조했다.
또한 공동 교신저자인 신현진 삼성전자 종합기술원 전문연구원은 “이번 연구결과는 반도체 산업계에서 기술적 난제로 여겨지던 부분에 대해 학계와 산업계가 상호 협력을 통해 해결방안을 찾아낸 모범적인 사례”라고 말했다.
뿐만 아니라 유럽연합의 그래핀 연구 프로젝트 파트너인 영국 케임브리지 대학교 매니쉬 초왈라 교수와 스페인 카탈루냐 나노과학기술연구소 스테판 로슈 교수가 참여하여 국제 공동연구로 진행됐다.
연구 수행은 과학기술정보통신부의 기초연구실, 중견연구 및 기초과학연구원(IBS), 삼성전자의 지원으로 이뤄졌다.
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반도체 내부 전기 간섭 최소화하는 소재 개발
[서울=뉴시스] 울산과학기술원(UNIST) 자연과학부 신현석 교수.[서울=뉴시스] 이재은 기자 = 반도체 칩 안의 소자를 더 작게 만들 수 있는 새로운 소재가 개발됐다. 이 소재를 이용하면 메모리와 같은 반도체 칩의 작동 속도를 더 빠르게 만들 수 있을 것으로 기대된다. 울산과학기술원(UNIST) 자연과학부 신현석 교수팀이 삼성전자 종합기술원의 신현진 전문연구원팀, 기초과학연구원(IBS) 등과 국제공동연구를 통해 반도체 소자를 더 미세하게 만들 수 있는 ‘초저유전율 절연체’를 개발하는데 성공했다.
반도체 소자의 크기를 줄임과 동시에 정보처리속도를 높일 수 있는 핵심적인 방법이 절연체의 유전율을 낮추는 것인데, 공동 연구팀이 기존 절연체 보다 30% 이상 낮은 유전율을 갖는 ‘비정질 질화붕소 소재’를 합성하는데 성공한 것이다.
과학기술정보통신부와 UNIST는 이번 성과가 세계 최고 권위의 학술지 네이처에 25일 게재되었다고 밝혔다.
현재와 같은 나노미터 단위의 반도체 공정에서는 소자가 작아질수록 내부 전기 간섭 현상이 심해져 오히려 정보처리 속도가 느려지게 된다. 이러한 이유로 전기 간섭을 최소화하는 낮은 유전율을 가진 신소재 개발이 반도체 한계 극복의 핵심이라고 알려져 있다.
현재 반도체 공정에서 사용되는 절연체는 다공성 유기규산염(p-SiCOH)으로 유전율이 2.5 수준이다. 이번에 공동연구팀이 합성한 비정질 질화붕소의 유전율은 1.78로 기술적 난제로 여겨진 유전율 2.5이하의 신소재를 발견한 것이며, 이를 통해 반도체 칩의 전력 소모를 줄이고 작동 속도도 높일 수 있을 것으로 기대된다.
연구팀은 이론적 계산 및 포항가속기연구소 4D 빔라인을 활용해 비정질 질화붕소의 유전율이 낮은 이유가 ‘원자 배열의 불규칙성’ 때문이라는 점도 밝혀냈다.
뿐만 아니라, 기존에는 유전율을 낮추기 위해 소재 안에 미세한 공기 구멍을 넣어 강도가 약해지는 문제가 있었으나, 비정질 질화붕소는 물질 자체의 유전율이 낮아 이러한 작업 없이도 높은 기계적 강도를 유지할 수 있게 됐다.
제1저자인 홍석모 UNIST 박사과정 연구원은 “낮은 온도에서 육방정계 질화붕소가 기판에 증착되는지 연구하던 중 우연히 ‘비정질 질화붕소’의 유전율 특성을 발견했고, 반도체 절연체로써 적용 가능성을 확인했다"고 설명했다.
교신저자인 신현석 UNIST 교수는 “이 물질이 상용화된다면 중국의 반도체 굴기와 일본의 수출 규제 등 반도체 산업에 닥친 위기를 이겨내는 데 큰 도움이 될 것”이라며 “‘반도체 초격차 전략’을 이어갈 수 있는 핵심 소재기술”이라고 강조했다.
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IBS 연구진 '펨토초 X선 산란법' 이용해 화학반응 전 과정 관측 성공
"거대분자에서 일어나는 반응·촉매분자의 반응 등 규명해 나갈 것"
김종구 IBS 나노물질 및 화학반응 연구단 선임연구원이 지난 24일 세종시 어진동 과학기술정보통신부 기자실에서 '분자가 탄생하는 모든 순간 포착 성공' 브리핑을 하고 있다. 연구팀은 1000조분의 1초를 관측할 수 있는 특수광원으로 화학결합 생성의 전 과정 관측에 성공했다고 설명했다. 2020.6.25/뉴스1 © News1 장수영 기자
(서울=뉴스1) 김승준 기자 = 1000조 분의 1초 시간 간격 수준으로 원자들이 움직이는 과정을 순간 포착해 화학반응과정을 더 면밀히 살필 수 있게 됐다.
과학기술정보통신부와 기초과학연구원(IBS)은 IBS 나노물질 및 화학반응 연구단의 이효철 부연구단장 연구팀이 화학 반응 과정에서 원자·분자가 어떻게 움직이고 결합하는지 실시간에 가깝게 관측하는 데 성공했다고 25일 밝혔다.
연구진은 2005년에는 분자결합이 끊어지는 순간을, 2015년에는 화학결합으로 분자가 탄생하는 순간을 원자 수준에서 관측한 바 있다. 2005년 연구결과는 국제 학술지 사이언스(Science)에 2015년 연구는 네이처(Nature)에 발표했다. 지난 연구에 이어 이번에는 화학반응의 시작부터 끝까지 원자의 위치와 원자간 거리, 움직임을 관측하는 데 성공했다. 이번 연구 성과는 국제학술지 네이처에 게재됐다.
물질을 이루는 기본 단위인 원자는 화학결합을 통해 분자를 구성한다. 이때 원자는 1000조 분의 1초(펨토초, fs) 초에 100억분의 1미터(옹스트롬, Å) 수준으로 움직이기 때문에 그 움직임을 실시간으로 포착하기는 어렵다. 게다가 화학반응과정 중인 전이상태(transition state)의 물질은 매우 짧은 시간 동안만 형성되기 때문에 관찰이 더욱 까다롭다.
카메라 셔터가 열리는 순간 필름·이미지 센서로 빛이 들어오고 찰칵 닫히는 순간 빛이 차단된다. 셔터가 열려서 닫히는 시간이 길수록 빛이 많이 들어오지만 움직이는 물체를 찍을 때는 잔상이 남는다. 셔터를 여닫는 속도가 빨라질수록 짧은 순간의 빛만을 담을 수 있어 잔상없이 깨끗하게 찍어낼 수 있다.
과학자들이 원자·분자 구조를 파악하는 방법의 하나는 X선 산란법이다. X선 산란법은 구조를 알고 싶은 물질에 X선을 쬐어주고 나오는 신호를 분석해 구조를 분석해내는 기술이다. DNA 이중나선 구조를 이 방법으로 알아냈다.
카메라로 순간 포착을 하기위해 셔터를 빠르게 여닫아 짧은 순간의 빛(광선)을 이용하는 것처럼 아주 짧은 순간의 X선을 이용하면 순간순간의 물질 변화를 관측 할 수 있다. 연구진의 목적은 펨토초 단위 규모의 화학 반응과정을 보는 것이었다. 이를 위해 펨토초 수준의 짧은 시간 동안만 나오는 X선으로 만들어지는 'X선 펄스'가 필요해 포항 4세대 방사광가속기의 X선 자유전자레이저의 펄스를 이용했다.
펨토초 엑스선 산란법 실험 모식도(기초과학연구원 제공) 2020.06.25 / 뉴스1
연구진은 이러한 X선 펄스를 이용한 '펨토초 X선 산란법'을 사용했다. 연구진은 금 삼합체(gold trimer) 분자의 형성과정을 관찰했다. 금 삽합체는 세 개의 금 원자로 이뤄진 화합물로 수용액 상에서 가까운 곳에 흩어져 있다가 빛(레이저)을 가하면 화학결합을 시작하는 특징이 있다.
연구진은 반응을 촉발하기 위한 레이저를 금 삼합체 수용액에 가해주고 이어 X선 펄스를 이용해 회절 신호를 측정·분석했다. 그 결과 세 개의 금 원자를 이어주는 두 개의 화학결합이 동시에 형성되는 것이 아니라, 35펨토초만에 결합 하나가 먼저 만들어지고, 360펨토초 뒤 나머지 결합이 순차적으로 형성된다는 것을 관측했다.
또한 화학결합이 형성된 후 원자들이 같은 자리에 머물지 않고 금 원자들이 스프링 진동하듯 분자 내 원자간 거리가 늘어났다가 줄어드는 진동 운동을 하고 있음도 관측했다.
금 삼합체 분자 형성 과정 포착 설명 자료 (일본 고에너지연구소(KEK) 제작, 기초과학연구원 제공) 2020.06.25 / 뉴스1
관측·분석할 수 있는 시간 간격의 최소단위를 시간 분해능이라고 한다. 연구진은 "2015년 연구에서는 시간 분해능이 500펨토초로 제한됐지만, 이번 연구에서는 150펨토초까지 가능했다"며 "타임 슬라이싱 기법을 이용해 촘촘하게 측정해 (시간 분해능보다) 더 작은 시간의 상황까지 추출할 수 있었다"고 밝혔다.
연구진은 앞으로 단백질과 같은 거대분자에서 일어나는 반응·촉매분자의 반응 등 다양한 화학반응의 진행 과정을 규명할 수 있는 방법을 연구해 나갈 계획이다.
제1저자인 김종구 선임연구원은 "장기적 관점에서 꾸준히 연구한 결과 반응 중인 분자의 진동과 반응 경로를 직접 추적하는 '펨토초 엑스선 회절법'을 완성할 수 있었다"며 "앞으로 다양한 유기‧무기 촉매 반응과 체내에서 일어나는 생화학적 반응들의 메커니즘을 밝혀내게 되면, 효율이 좋은 촉매와 단백질 반응과 관련된 신약 개발 등을 위한 기초정보를 제공할 수 있을 것"이라고 포부를 밝혔다.
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IBS 연구진 '펨토초 X선 산란법' 이용해 화학반응 전 과정 관측 성공
"거대분자에서 일어나는 반응·촉매분자의 반응 등 규명해 나갈 것"
김종구 IBS 나노물질 및 화학반응 연구단 선임연구원이 지난 24일 세종시 어진동 과학기술정보통신부 기자실에서 '분자가 탄생하는 모든 순간 포착 성공' 브리핑을 하고 있다. 연구팀은 1000조분의 1초를 관측할 수 있는 특수광원으로 화학결합 생성의 전 과정 관측에 성공했다고 설명했다. 2020.6.25/뉴스1 © News1 장수영 기자(서울=뉴스1) 김승준 기자 = 1000조 분의 1초 시간 간격 수준으로 원자들이 움직이는 과정을 순간 포착해 화학반응과정을 더 면밀히 살필 수 있게 됐다.
과학기술정보통신부와 기초과학연구원(IBS)은 IBS 나노물질 및 화학반응 연구단의 이효철 부연구단장 연구팀이 화학 반응 과정에서 원자·분자가 어떻게 움직이고 결합하는지 실시간에 가깝게 관측하는 데 성공했다고 25일 밝혔다.
연구진은 2005년에는 분자결합이 끊어지는 순간을, 2015년에는 화학결합으로 분자가 탄생하는 순간을 원자 수준에서 관측한 바 있다. 2005년 연구결과는 국제 학술지 사이언스(Science)에 2015년 연구는 네이처(Nature)에 발표했다. 지난 연구에 이어 이번에는 화학반응의 시작부터 끝까지 원자의 위치와 원자간 거리, 움직임을 관측하는 데 성공했다. 이번 연구 성과는 국제학술지 네이처에 게재됐다.
물질을 이루는 기본 단위인 원자는 화학결합을 통해 분자를 구성한다. 이때 원자는 1000조 분의 1초(펨토초, fs) 초에 100억분의 1미터(옹스트롬, Å) 수준으로 움직이기 때문에 그 움직임을 실시간으로 포착하기는 어렵다. 게다가 화학반응과정 중인 전이상태(transition state)의 물질은 매우 짧은 시간 동안만 형성되기 때문에 관찰이 더욱 까다롭다.
카메라 셔터가 열리는 순간 필름·이미지 센서로 빛이 들어오고 찰칵 닫히는 순간 빛이 차단된다. 셔터가 열려서 닫히는 시간이 길수록 빛이 많이 들어오지만 움직이는 물체를 찍을 때는 잔상이 남는다. 셔터를 여닫는 속도가 빨라질수록 짧은 순간의 빛만을 담을 수 있어 잔상없이 깨끗하게 찍어낼 수 있다.
과학자들이 원자·분자 구조를 파악하는 방법의 하나는 X선 산란법이다. X선 산란법은 구조를 알고 싶은 물질에 X선을 쬐어주고 나오는 신호를 분석해 구조를 분석해내는 기술이다. DNA 이중나선 구조를 이 방법으로 알아냈다.
카메라로 순간 포착을 하기위해 셔터를 빠르게 여닫아 짧은 순간의 빛(광선)을 이용하는 것처럼 아주 짧은 순간의 X선을 이용하면 순간순간의 물질 변화를 관측 할 수 있다. 연구진의 목적은 펨토초 단위 규모의 화학 반응과정을 보는 것이었다. 이를 위해 펨토초 수준의 짧은 시간 동안만 나오는 X선으로 만들어지는 'X선 펄스'가 필요해 포항 4세대 방사광가속기의 X선 자유전자레이저의 펄스를 이용했다.
펨토초 엑스선 산란법 실험 모식도(기초과학연구원 제공) 2020.06.25 / 뉴스1연구진은 이러한 X선 펄스를 이용한 '펨토초 X선 산란법'을 사용했다. 연구진은 금 삼합체(gold trimer) 분자의 형성과정을 관찰했다. 금 삽합체는 세 개의 금 원자로 이뤄진 화합물로 수용액 상에서 가까운 곳에 흩어져 있다가 빛(레이저)을 가하면 화학결합을 시작하는 특징이 있다.
연구진은 반응을 촉발하기 위한 레이저를 금 삼합체 수용액에 가해주고 이어 X선 펄스를 이용해 회절 신호를 측정·분석했다. 그 결과 세 개의 금 원자를 이어주는 두 개의 화학결합이 동시에 형성되는 것이 아니라, 35펨토초만에 결합 하나가 먼저 만들어지고, 360펨토초 뒤 나머지 결합이 순차적으로 형성된다는 것을 관측했다.
또한 화학결합이 형성된 후 원자들이 같은 자리에 머물지 않고 금 원자들이 스프링 진동하듯 분자 내 원자간 거리가 늘어났다가 줄어드는 진동 운동을 하고 있음도 관측했다.
금 삼합체 분자 형성 과정 포착 설명 자료 (일본 고에너지연구소(KEK) 제작, 기초과학연구원 제공) 2020.06.25 / 뉴스1관측·분석할 수 있는 시간 간격의 최소단위를 시간 분해능이라고 한다. 연구진은 "2015년 연구에서는 시간 분해능이 500펨토초로 제한됐지만, 이번 연구에서는 150펨토초까지 가능했다"며 "타임 슬라이싱 기법을 이용해 촘촘하게 측정해 (시간 분해능보다) 더 작은 시간의 상황까지 추출할 수 있었다"고 밝혔다.
연구진은 앞으로 단백질과 같은 거대분자에서 일어나는 반응·촉매분자의 반응 등 다양한 화학반응의 진행 과정을 규명할 수 있는 방법을 연구해 나갈 계획이다.
제1저자인 김종구 선임연구원은 "장기적 관점에서 꾸준히 연구한 결과 반응 중인 분자의 진동과 반응 경로를 직접 추적하는 '펨토초 엑스선 회절법'을 완성할 수 있었다"며 "앞으로 다양한 유기‧무기 촉매 반응과 체내에서 일어나는 생화학적 반응들의 메커니즘을 밝혀내게 되면, 효율이 좋은 촉매와 단백질 반응과 관련된 신약 개발 등을 위한 기초정보를 제공할 수 있을 것"이라고 포부를 밝혔다.
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