삼성미래기술육성사업, 차세대 반도체∙2차 전지 등 연구 성과 창출

기사승인 2019-09-24 10:08:36

성균관대 윤원섭교수팀_고려대 강용문 교수 공동연구팀 삼성미래기술육성사업 지원을 받은 차세대 반도체, 2차 전지와 같은 미래 부품 소재 연구 과제가 세계적인 학술지에 잇따라 게재되는 등 지속적인 성과를 내고 있다.

□ '차세대 자성 반도체(MDW-MRAM) 소비전력 95% 절감 기술' 연구 통해 높은 전력소모 문제 해결할 수 있는 가능성 제시

고려대 신소재공학부 이경진 교수 연구팀이 국제공동연구 (일본 교토대 테루오 오노(Teruo Ono) 교수, 미국 미주리(Missouri)대 김세권 교수, 카이스트 김갑진 교수 등)를 통해 새로운 자성소재를 적용해 MDW(Magnetic Domain Wall)-MRAM의 소비 전력을 95% 이상 절감시킬 수 있는 원천기술을 세계 최초로 개발했다. 이 연구 결과는 현지시간 18일 세계적인 학술지 '네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)'에 발표됐다.

DRAM은 초고속 데이터처리, 고밀도 저장, 저전력 구동 등 강점이 있으나, 데이터 저장을 위해 사용하지 않을 때도 계속 전원을 공급해야 하는 단점이 있다.

이러한 단점을 극복하기 위해 개발된 MDW-MRAM은 자성 소재에 스핀을 주입해 구동하기 때문에 초고속 처리가 가능하고 전력을 공급하지 않아도 데이터를 장기간 저장할 수 있는 장점이 있으나, 고밀도 데이터 저장을 위해 필요한 구동 전류가 너무 높은 문제가 있었다.

이경진 교수 연구팀은 MDW-MRAM에 기존에 사용되어 왔던 강자성(Ferromagnets) 소재를 새로운 페리자성(Ferrimagnets) 소재로 변경했다.

이를 통해 스핀 전달 효율이 20배 정도로 커져 구동 전류 효율이 20배 이상 개선됨을 확인했고, 소비전력을 기존 대비 95% 이상 절감시킬 수 있는 돌파구를 제시했다. 이경진 교수는 "이번 연구결과는 차세대 MDW-MRAM 기술의 중요한 난제였던 높은 전력소모 문제를 해결할 수 있는 가능성을 보여줬다는 것에 큰 의미가 있다"고 말했다.

또한 "MRAM은 비휘발성, 고밀도, 저전력을 동시에 만족하는 특성이 있어 AI, 자율주행, IoT 등 향후 4차 산업혁명 기술발전에 있어 파급 효과가 있을 것으로 기대된다"고 덧붙였다. 삼성전자는 이번 연구를 2017년 12월 삼성미래기술육성사업 지원과제로 선정했다.

□ '2차 전지 충전용량 한계 극복 기술 개발' 연구 통해 2차 전지 양극 소재 개발에 새로운 돌파구 제시

성균관대 윤원섭 교수와 고려대 강용묵 교수 공동 연구팀은 2차 전지 충전용량의 한계를 극복할 수 있는 기술 개발에 성공했다. 이 연구 결과는 지난 2일 세계적인 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 발표됐다.

스마트폰, 전기차 등에 사용되는 2차 전지를 얼마나 오랜 시간 동안 사용할 수 있는지는 양극 소재의 성능에 대부분 의존한다.

현재 2차 전지에 사용되고 있는 양극 소재는 전기를 운반하는 양이온층과 금속산화물층이 교대로 적층된 형태의 구조물인데, 전지 충방전 과정에서 일정량 이상의 양이온이 움직이게 되면 층간 구조가 무너져 회복되지 않는 성질이 있다.

이런 비가역적 구조 변화로 양극 소재가 본래 저장할 수 있는 충전용량을 100% 사용할 수 없는 것이 2차 전지의 성능 한계였다.

공동 연구팀은 망간계 산화물인 버네사이트(Birnessite)를 이용하면 층과 층 사이에 존재하는 결정수(crystal water)의 양과 위치에 따라 층간 구조적 특징을 제어할 수 있다는 점에 착안했다. 이를 통해 충방전 과정에서 발생하는 구조 변화를 가역적으로 만들어 충전용량을 100% 활용할 수 있는 가능성을 보여주었다.

윤원섭 교수는 "이번 연구결과는 충방전 과정에서 발생하는 양극 소재의 구조 변화를 근본적으로 뛰어넘을 수 있는 새로운 패러다임을 최초로 제시한 연구 결과이다"라고 말했다.

강용묵 교수는 "가역적인 구조변화가 다양한 적층 소재에 확대 적용될 수 있다면 이론적 한계에 거의 도달한 2차 전지 양극 소재 개발에 박차를 가할 것으로 기대된다"고 말했다. 삼성전자는 이번 연구를 2017년 6월 삼성미래기술육성사업 연구지원 과제로 선정하고 지원해 왔다.

한편 삼성미래기술육성사업은 국가 미래 과학기술 연구 지원을 위해 2013년부터 10년간 1조5000억원을 지원하고 있으며, 지금까지 534개 과제에 6852억원을 집행했다.

임중권 기자 im9181@kukinews.com