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반도체 초격차 전략 비밀병기?…소형화 한계 극복할 신소재 개발

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작성자 문상경 작성일20-06-25 18:19 댓글0건

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UNIST 신현석 교수팀, 초저유전율 절연체 '비정질 질화붕소' 개발
"반도체 내부 전기 간섭 최소화 가능…집적도·성능 향상 기대"


(서울=연합뉴스) 이주영 기자 = 국내 연구진이 반도체를 더 작게 만드는 데 걸림돌이 되는 절연체의 전기적 간섭 문제를 극복할 수 있는 신소재를 개발했다.

울산과학기술원(UNIST) 자연과학부 신현석 교수팀은 25일 '네이처'(Nature)에서 삼성전자종합기술원 신현진 전문연구원팀, 기초과학연구원(IBS) 등과 국제공동연구를 통해 반도체 소자를 더 미세하게 만들 수 있는 '초저유전율 절연체'를 개발했다고 밝혔다.

초저유전율 절연체 '비정질 질화붕소' 비정질 질화붕소 분자 구조(왼쪽)와 실리콘 기판 위에 비정질 질화붕소 박막이 형성되는 모습 [UNIST 제공. 재판매 및 DB 금지]

반도체 소자는 실리콘 같은 반도체, 금속, 절연체 등으로 구성되는데 집적도를 높이기 위해서는 단위 소자(회로) 등을 더 작게 만드는 기술과 함께 작아질수록 증가하는 전기간섭 영향 등을 줄일 수 있는 우수한 절연체가 필요하다.

특히 나노미터(㎚:10억분의 1m) 수준의 반도체 공정에서는 내부 전기간섭이 심해져 정보처리 속도가 느려지기 때문에 전기 간섭을 최소화할 수 있는 초저유전율 신소재 개발이 반도체 소형화 한계를 극복할 핵심으로 꼽혀왔다.

집적회로(IC) 구조집적회로는 트랜지스터, 다이오드, 저항, 커패시터 등 전자부품들을 정밀하게 만들어 작은 반도체 속에 하나의 전자회로로 구성해 집어넣은 것으로 작아질수록 전기 간섭을 적게 받는 초저유전율 절연체가 필요하다. [UNIST 제공. 재판매 및 DB 금지]

유전율은 절연체가 외부 전기장에 반응하는 민감도를 의미한다. 유전율이 낮으면 전기적 간섭이 줄어들어 반도체 소자 내 금속 배선의 간격을 줄일 수 있어 반도체를 더 작게 만들 수 있다.

연구팀은 이 연구에서 유전율이 1.78로 현재 반도체 공정에 사용되는 절연체인 '다공성 유기규산염'(p-SiCOH. 유전율 2.5)보다 훨씬 낮은 '비정질 질화붕소(a-BN : amorphous boron nitride) 소재'를 합성하는 데 성공했다.

질화붕소는 그동안 널리 연구돼온 소재로 규칙적인 결정구조를 가진 육방정계 질화붕소(h-BN)는 '화이트 그래핀'으로 불리며 절연체로 사용되고 있다. 원자 배치가 불규칙한 비정질 질화붕소도 1960년대부터 연구돼 왔으나 유전율이 3~6 정도로 주목받지 못했다.

연구팀은 이 연구에서 육방정계 질화붕소가 기판에 증착되는지 연구하던 중 우연히 '비정질 질화붕소'의 우수한 유전율 특성을 발견하고, 반도체 절연체로 적용할 수 있다는 것을 실험으로 확인했다.

비정질 질화붕소 박막 형성 과정실리콘 기판(노란색) 위에 붕소 및 질소 증착에 의해 3㎚ 두께의 비정질 질화붕소 박막이 형성되는 과정 시뮬레이션. [UNIST 제공. 재판매 및 DN 금지]

현재의 반도체 공정 조건에서 플라스마를 도입한 화학기상증착법으로 반도체에 사용되는 기판에 3㎚ 두께의 비정질 질화붕소 박막을 만드는 데 성공했다.

이렇게 제작한 비정질 질화붕소는 기존에 보고된 a-BN보다 결정성이 더 낮았고, 전기소자(커패시터)를 만들어 유전율을 측정한 결과 1.78(100㎑ 교류전류 주파수)과 1.16(1㎒ 교류전류 주파수)으로 측정됐다.

연구팀은 유전율이 낮은 이유가 '원자 배열의 불규칙성' 때문이라고 밝혔다. a-BN을 구성하는 원자 배열이 불규칙해 주변에 전기가 흐를 때 형성되는 내부 분극 현상이 상쇄될 수 있다고 설명했다.

또 기존에는 유전율을 낮추기 위해 소재 안에 미세한 공기 구멍을 넣어 강도가 약해지는 문제가 있었으나 a-BN은 물질 자체의 유전율이 낮아 이런 작업 없이도 높은 기계적 강도를 유지할 수 있다고 연구팀은 설명했다.

신현석 UNIST 교수는 "이 물질이 상용화되면 중국 반도체 굴기와 일본 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.

이차원 소재들의 구조[UNIST 제공. 재판매 및 DB 금지]

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[KBS 대전]
[앵커]

충남 태안 바닷가에는 조선시대 수군들이 왜적의 방어를 위해 쌓은 성이 남아 있는데요.

바로 '안흥진성' 입니다.

수군의 방어 진영으로는 전국에서 유일하게 원형 보존이 잘 돼 이를 국가지정문화재로 승격하기 위한 사업이 추진 중인데, 최근 '수군 군적부'까지 발견돼 주목을 받고 있습니다.

이연경 기자입니다.

[리포트]

갯벌에 묻혀있던 유물 수만 점이 쏟아져 나와 보물창고로 불리는 태안 앞바다.

과거에는 전국 각지에서 거둬들인 세금과 진상품을 한양으로 운반하기 위한 길목이자 군사적 요충지였습니다.

이곳에 바다가 훤히 내려다 보이는 해안을 따라 조선시대 수군들이 방어용으로 쌓은 성이 '안흥진성'입니다.

조선 효종 때 축성돼 360여 년이 지났지만 원형이 잘 보존돼 있습니다.

최근 인근의 폐가에서는 벽지로 사용되던 수군 군적부도 발견됐습니다.

안흥진 소속 60여 명의 이름과 주소, 나이 등이 적힌 고문서인데, 군역을 부과해 군포를 거두려고 작성된 것으로 추정되는 희귀자료입니다.

[진호신/국립해양문화재연구소 학예연구관 : "수군을 어떻게 모집했는지, 수군을 운영하기 위한 포를 어떤 형식으로 어디서 받았는지 이런 것을 파악할 수 있는 문서가 현장에서 운영한 관의 건물에서 직접 나왔다는 게 굉장히 큰 의의가 있습니다."]

태안군은 이런 자료들을 토대로 현재 충남기념물로 지정된 안흥진성의 국가문화재 승격을 추진 중입니다.

현재 수목정비 등의 예산 2억 원으로는 성곽 보존도 어렵다는 판단에섭니다.

[가세로/태안군수 : "문화재적인 보존 가치가 매우 높은데도 제대로 관리되지 않기 때문에 국가지정문화재 승격이 돼서 갈라지고 붕괴되는 성곽을 유지하고 보수(할 필요가 있습니다.)"]

제주와 인천 영종도 등 조선시대 축성된 수군방어영 3곳 가운데 유일하게 현재까지 모습이 남아있는 태안 안흥진성, 국가지정문화재로 거듭날 수 있을지 주목됩니다.

KBS 뉴스 이연경입니다.

이연경 기자 ([email protected])

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