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2024-11-23 (토)

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[퓨처 Eyes(58)] 인듐 셀레나이드, 초저에너지 시대 연다

스마트폰 배터리를 하루 종일 써도 용량이 남는 시대가 올까? 꿈만 같은 이야기가 현실로 다가오고 있다. 인도과학연구소(IISc), 미국 펜실베이니아대학교 공과대학, 매사추세츠공과대학(MIT)의 공동 연구팀이 쏘아 올린 '인듐 셀레나이드(In2Se3)'라는 혁신의 씨앗 덕분이다. 이 소재는 마법처럼 전기적 충격만으로도 기존 메모리보다 10억배나 작은 에너지로 데이터를 저장한다. 미래 메모리 저장 장치의 판도를 뒤흔들 게임 체인저가 등장한 것이다. 기존 메모리, 에너지 소비량 높아⋯인듐 셀레나이드는 '깃털'처럼 가볍다 지금까지 메모리 저장 장치의 주역은 위상변화 메모리(PCM)였다. CD, DVD, 블루레이 등에 널리 쓰이는 이 기술은 특정 물질을 800℃ 이상의 고온으로 녹였다가 급속 냉각하는 방식으로 데이터를 저장했다. 이 과정에서 막대한 전력을 소비하는 게 단점이다. "PCM이 널리 쓰이지 못하는 가장 큰 이유 중 하나는 높은 에너지 소비 때문이다" 펜실베이니아 공과대학의 재료 과학 및 공학(MSE) 분야의 스리니바사 라마누잔 석좌교수 리테시 아가왈의 말처럼 에너지 효율은 메모리 기술의 아킬레스 건이었다. 하지만 인듐 셀레나이드는 이러한 문제에 명쾌한 해답을 제시한다. 전기 충격만으로, 아주 작은 에너지로 데이터를 저장하는 혁신적인 기술이라 메모리 시장의 패러다임을 바꿀 잠재력이 있다. 전류 한 방에 '유리 상태'로 변신!⋯2D 층상 구조가 빚어낸 마법 연구팀은 인듐 셀레나이드 나노선에 전류를 흘려보내는 실험을 진행했다. 그런데 놀랍게도, 전류를 통과시키자 결정 구조가 순식간에 유리 상태로 변했다고 한다. 논문 제1저자인 펜실베이니아 공과대학의 전 박사과정 학생인 가우라브 모디는 "처음에는 소재가 손상된 줄 알았다"며 당시의 놀라움을 감추지 못했다. 일반적으로 아몰화(결정 구조가 무질서한 비결정질 상태로 변하는 현상)를 유도하려면 강력한 전기 펄스를 가해야 한다. 하지만 인듐 셀레나이드는 연속적인 전류만으로 유리 상태로 변한다. 신기하지 않은가? 이 현상의 비밀은 인듐 셀레나이드의 독특한 구조에 숨겨져 있다. 2D 층상 구조, 강유전체성, 압전성, 이 세 가지 요소가 절묘한 조화를 이루며 혁신을 가능하게 했다. 2D 층상 구조 덕분에 전류가 층 사이를 통과하면, 층들이 서로 미끄러지며 특정 쌍극자 모멘트를 가진 도메인을 형성한다. 이 도메인 사이의 결함이 충돌하면서 결정 구조가 붕괴되고, 마침내 유리 상태로 변한다. 아가왈 석좌교수는 IISc의 나노 과학 및 공학 센터(CeNSE)의 파반 누칼라(Pavan NuKALA) 조교수와 박사과정 학생인 숩함 파라테(Shubham Parate)와 협력해 전자 현미경으로 이 과정을 원자 단위에서 마이크로미터 길이까지 면밀히 추적했다. '도메인 경계 충돌'로 에너지 절감⋯스마트 기기 배터리 혁명 이끈다 연구팀은 연속 전류가 재료의 2D 층과 평행하게 흐르면 층이 서로 다른 방향으로 미끄러진다는 것을 발견했다. 파반 누칼라 교수는 이 과정을 도메인 경계가 전기장에 의해 움직이며 서로 충돌하는 현상으로 설명했다. 이는 연쇄 반응을 일으켜 결국 전체 물질을 유리 상태로 바꿔 놓는다. 놀랍게도 이 과정에서 소비되는 에너지는 극히 적다. 연구팀의 파라테 박사과정 학생은 "전자 현미경으로 다양한 길이 척도에서 이 모든 요소들이 함께 살아나 작용하는 놀라운 현상을 관찰했다"고 말했다. 이 기술은 스마트폰, 컴퓨터 등 다양한 전자 기기에 적용되어 에너지 효율을 극대화할 수 있다. 저전력 메모리 기술은 기기 사용 시간을 획기적으로 늘리고 전력 소모를 줄여, 배터리 걱정 없는 세상을 열어줄 것으로 기대된다. 인듐 셀레나이드, 미래를 향한 '퀀텀 점프'⋯에너지 절감, 그 이상의 가치를 향해 인듐 셀레나이드의 저에너지 아몰화 기술은 에너지 절감에 크게 기여할 것으로 기대된다. 데이터 저장 효율을 극대화하여 스마트 기기 사용 경험을 혁신적으로 개선할 것이다. 인듐 셀레나이드가 이끌어갈 미래는 더욱 빠르고, 가볍고, 오래가는 스마트 기기로 가득할 것으로 기대된다. 하지만 상용화까지는 몇 가지 과제가 남아 있다. 예를 들어 아몰화된 인듐 셀레나이드의 안정성을 높이고, 데이터 저장 용량을 늘리는 연구가 필요하다. 또한 기존의 메모리 생산 공정에 적용할 수 있는 기술 개발도 중요하다. 연구팀은 이러한 과제들을 해결하기 위해 후속 연구를 진행하고 있으며, 인듐 셀레나이드 기반 메모리 기술이 가까운 미래에 상용화될 수 있을 것으로 전망했다. 이 혁신의 물결은 이제 막 시작됐다. 이번 논문은 지난 11월 6일 학술지 네이처에 게재됐다.
- 포커스온
2024-11-14
[신소재 신기술(86)] MIT, 전자 산업 혁신 이끌 초박형 강유전체 트랜지스터 개발

나노초 단위로 양극 및 음극 전하를 전환할 수 있는 혁신적인 초박형 트랜지스터가 개발됐다. 미국 매사추세츠 공과대학(MIT) 연구팀은 2021년 개발한 강유전체 물질을 사용해 나노초 속도로 스위칭하는 트랜지스터 만들었다고 IT 전문 매체 톰스 하드웨어와 테크 익스플로어 등 다수 외신이 보도했다. 강유전체 물질은 외부 전기장 없이도 스스로 양극(+) 과 음극(-)으로 나뉘어 전기적 분극을 갖는 특별한 물질이다. 외부 전기장을 가하면 분극 영향이 바뀌는 특징이 있으며 이러한 특징을 활용해 정보 저장, 센서, 엑추에이터 등 다양한 분야에 활용할 수 있다. 2021년 MIT 물리학자들이 개발한 새로운 초박형 강유전체는 양극 및 음극 전하가 서로 다른 층으로 분리되는 획기적인 특징을 가지고 있어 컴퓨터 메모리 분야 등 다양한 홯용 가능성이 제시된 바 있다. 최근 동일 연구팀은 해당 소재를 활용해 초박형 트랜지스터를 제작하고, 기존 전자기기 산업을 변화시킬 수 있는 혁신적인 특성을 입증했다. MIT 연구팀은 강유전체 소재 트랜지스터가 전자공학에 혁명을 일으킬 수 있다고 말했다. 연구팀은 실험실에서 단일 트랜지스터를 기반으로 연구를 진행했지만, 해당 트랜지스터가 현재 생산되는 강유전체 트랜지스터의 산업 표준을 여러 측면에서 충족하거나 능가하는 것으로 나타났다고 밝혔다. 연구를 주도한 파블로 자릴로-헤레러 MIT 물리학 교수는 "이번 연구는 기초 과학이 응용 분야에 매우 중대한 영향을 미칠 수 있는 극적인 사례 중 하나"라고 강조했다. 새로운 트랜지스터는 1나노초(10억분의 1초) 단위로 양극 및 음극 전하를 전환할 수 있을 정도로 매우 빠른 속도를 자랑하며, 1000억회 이상 스위칭 후에도 성능 저하 없이 작동할만큼 내구성이 뛰어나다. 또한 10억분의 1미터 두께로 세계에서 가장 얇은 소재 중 하나다. 이는 컴퓨터 메모리 용량을 크게 늘리고 에너지 효율성을 향상 시킬 수 있음을 시사한다. 현재 트랜지스터 기술은 수백나노초 단위로 상태를 전환한다. 연구팀은 붕소 질화물(BN) 원자층을 평행으로 쌓아 새로운 강유전체를 개발했다. 외부 전기장을 가하면 층이 미세하게 이동하며 붕소 및 질소 원자의 위치가 바뀌고, 이러한 슬라이딩 현상을 통해 전자기적 특성이 급격하게 변화한다. 개발된 새로운 트랜지스터는 기존 플래시 메모리와 달리 반복적 쓰기 및 삭제 과정에서도 성능 저하가 없다는 점에서 혁신적이다. 연구팀은 앞으로 대량 생산 기술 개발 등 해결해야 할 과제가 남아 있지만, 이번 연구 결과가 미래 전자기기 산업에 폭 넓게 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있다. 연구 결과는 학술지 '사이언스(Science)'에 게재됐다.
- 포커스온
2024-07-30