[M-커버스토리] 무어의 법칙 따라갈 '꿈의 반도체', 삼성전자가 앞장선다

그래핀과 a-BN. /삼성전자 삼성전자는 '황의 법칙'으로 무어의 법칙을 뛰어넘은 바 있다. 황의 법칙은 2002년 국제반도체회로학술회의에서 당시 메모리사업부장을 맡고 있던 황창규 사장이 주장한 내용으로, 메모리 용량이 무어의 법칙을 넘어 1년에 2배씩 늘어나고 있다는 주장이다. 불과 10년도 지나지 않아 법칙이 깨지긴 했지만, 최근에는 CPU뿐 아니라 메모리를 비롯한 기타 반도체, 기술들이 어우러져 PC 성능을 높이고 있다는 의미로 쓰이기도 한다. 삼성전자는 그동안 무어의 법칙을 지켜오는 데에도 혁혁한 공을 세웠다. D램과 낸드플래시에서 가장 수준 높은 양산 능력을 보유하고 있고, 기술적으로도 경쟁 업체들을 훨씬 앞선 것으로 평가받는다. 파운드리 분야에서도 EUV 공정을 가장 선제적으로 도입했으며, 3나노 미만에서 핀펫을 대신해 양산력을 끌어올릴 게이트 올 어라운드(GAA) 기술도 선보인 상태다. 삼성은 앞으로도 무어의 법칙을 지킬 파수꾼으로 업계를 리드할 가능성이 높다. 당장 현시점에서는 TSMC와의 경쟁도 빠듯해 보이지만, 반도체 기술 한계를 건너 뛸 수 있는 첨단 기술을 꾸준히 개발하면서 새로운 시대를 열 수 있다는 기대감도 적지 않다. 대표적인 성과가 '비정질 질화붕소(a-BN)' 발견이다. 반도체 성능 한계를 넘어서기 위해서는 작고 안정적으로 성형할 수 있는 신소재 개발이 필수. a-BN은 '꿈의 신소재'라 불리는 그래핀의 파생 소재다. 삼성전자 종합기술원과 울산과학기술원(UNIST)이 공동으로 발견했다. 영국 맨체스터 대학에서 그래핀을 처음 발견한 후 16년 만이다. 그래핀은 아주 얇아 잘 휘어지면서도 단단한 물질이다. 구리보다 전기가 100배 이상 잘 통하고 열 전도성도 훨씬 높은 2차원 평면 구조로, 실리콘 대신 반도체에 적용하면 손쉽게 집적도를 획기적으로 높일 수 있는 소재다. 그러나 저온에서 성장하기 어려운 등 다루기 어려운 탓에 반도체에 적용하지 못하던 상황, 연구팀은 화이트 그래핀 파생 물질인 a-BN이 저온에서도 성장할 수 있음을 입증하며 새로운 반도체 상용화 가능성을 높였다. 3진법 반도체를 구현한 UNIST 김경록 교수 연구팀 /삼성전자 삼성미래기술육성사업도 새로운 반도체를 향한 다양한 연구를 진행 중이다. 이 사업은 2013년 1조5000억원을 투입해 다양한 기초 과학 분야를 지원하는 내용으로, 세계 최고 학술지에도 여러번 게재하는 성과를 내기도 했다. UNIST 김경록 교수 연구팀이 연구한 '3진법 금속-산화막-반도체'도 반도체 혁신을 이룰 중요한 성과 중 하나다. 이 연구팀은 세계 최초로 대면적 실리콘 웨이퍼에서 3진법 반도체를 구현하는데 성공해 네이처지에 발표하기도 했다. 3진법 반도체는 수치상으로 보면 반도체 성능을 50% 늘릴 수 있는 기술이다. 현존하는 반도체가 전류가 통하는지 여부를 가려 0과 1로 작동했다면, 3진법 반도체는 전기가 누설되는 현상까지 연산에 포함시켜 0과 1, 2까지 3진법으로 작동할 수 있다. 마찬가지로 삼성미래기술육성사업이 지원한 서울대학교 화학생물공학부 박정원 교수팀과 한양대학교 에리카 (ERICA) 캠퍼스 기계공학과 이원철 교수팀은 미국 로렌스버클리국립연구소와 함께 세계 최초로 핵생성 과정을 원자 수준에서 직접 관찰하는데 성공하기도 했다. 이 연구는 오랜 난제였던 결정핵 생성 원리를 제시해 사이언스지에 게재되기도 했다. 박막 증착 공정의 극히 초기 상태를 실험으로 재현했으며, 이를 응용하면 향후 반도체 소재·부품·장비 분야의 원천 기술을 확보하는데 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 초고속 투과전자현미경을 활용해 관찰한 금 원자가 비결정상과 결정상의 상태를 반복하며 결정핵으로 성장하는 과정 /삼성전자 가깝게는 P램과 M램 등 차세대 메모리도 상용화를 했거나 준비 중이다. P램은 양자역학을 이용한 상변화메모리, M램은 자기 저항 효과를 이용하며, 빠른 속도와 비휘발성 성질로 D램과 낸드플래시를 하나로 통합할 수 있을 것으로 기대된다. 삼성전자는 일찌감치 세계 최초로 P램을 상용화한 바 있으며, M램은 파운드리에 임베디드 형태로 공급 중이다. 당장 이같은 기술이 보편화되기는 어렵다. 그래핀 소재는 아직 상용화까지 여러 단계가 남았고, 3진법 반도체는 소프트웨어 등 컴퓨팅 환경 전체가 바뀌어야 하기 때문. 뉴 메모리 역시 수율과 활용 문제로 시장에서 쉽게 보기 어려운 상황이다. 다만 업계에서는 삼성전자가 여전히 차세대 기술을 개발하며 글로벌 반도체 업계 기술력을 주도하고 있다는 데 의미가 크다고 보고 있다. 삼성전자가 무어의 법칙과 관계없이 성장할 수 있는 이유다. 업계 관계자는 "반도체 업계 기술력이 빠르게 발전한 탓에 학계가 오히려 기업에 배우는 경우도 많다"며 "삼성전자가 앞장서 기술을 개발하고 학계를 지원하는 것은 장기적으로 국내 반도체 산업 경쟁력에 큰 보탬이 될 것"이라고 말했다. /김재웅기자 juk@metroseoul.co.kr