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반도체 더 작아지고 빨라진다.. 비정질 질화붕소 합성
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부규규 20-06-25 05:14 0회 0건관련링크
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[아시아경제 황준호 기자] 국내 연구진이 반도체 안에서 전자의 이탈을 막아주는 절연체에 활용할 새로운 소재를 개발했다. 이 소재를 이용하면 메모리와 같은 반도체 칩의 작동속도를 더욱 높이거나 반도체의 크기를 더욱 줄일 수 있을 것으로 예상된다.
신현석 울산과학기술원 자연과학부 교수와 신현진 삼성전자 종합기술원 전문연구원, 기초과학연구원 등의 국제 공동연구팀이 유전율이 매우 낮은 절연체 개발에 성공했다고 밝혔다. 연구 결과는 25일(현지시간) 국제 학술지인 네이처에 소개됐다.
연구팀은 비정질 질화붕소 소재를 합성하는데 성공했다. 이 소재는 기존 절연체보다 유전율이 30% 이상 낮은 소재다. 반도체 소재 내 금속 배선에서 전자가 다른 부분으로 이탈하는 것을 막는 절연체는 외부 전기장에 반응하는 민감도를 나타내는 유전율이 낮아야 한다. 유전율이 낮을수록 전기적 간섭이 줄어 반도체 소자 내 급속 배선의 간격을 줄일 수 있다. 더욱 작은 반도체를 만들 수 있게 되는 것이다.
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 핵심인 상황이다.
연구팀은 새로 개발한 소재의 유전율이 1.78로, 현재 반도체 공정에서 사용되는 절연체는 다공성 유기규산염으로 유전율(2.5)보다 낮다는 점에서 반도체 칩의 전력 소모를 줄이고 작동 속도도 높일 수 있을 것으로 기대했다.
연구팀은 또 기존 절연체는 미세한 공기 구멍을 넣어 강도가 약하다는 단점이 있었는데 비정질 질화붕소를 사용하면 공기 구멍이 없어도 돼, 높은 강도를 유지할 수 있다고 밝혔다.
연구팀은 이번 연구를 통해 이론적 계산 및 포항가속기연구소 4D 빔라인을 활용해 비정질 질화붕소의 유전율이 낮은 이유가 '원자 배열의 불규칙성' 때문이라는 점도 밝혀냈다.
제1저자인 홍석모 UNIST 박사과정 연구원은 "낮은 온도에서 육방정계 질화붕소(화이트 그래핀)가 기판에 증착되는지 연구하던 중 우연히 '비정질 질화붕소'의 유전율 특성을 발견했고, 반도체 절연체로써 적용 가능성을 확인했다"고 연구과정을 밝혔다.
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 전략을 이어갈 수 있는 핵심 소재기술"이라고 강조했다.
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.
황준호 기자 rephwang@asiae.co.kr
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[아시아경제 황준호 기자] 국내 연구진이 반도체 안에서 전자의 이탈을 막아주는 절연체에 활용할 새로운 소재를 개발했다. 이 소재를 이용하면 메모리와 같은 반도체 칩의 작동속도를 더욱 높이거나 반도체의 크기를 더욱 줄일 수 있을 것으로 예상된다.
신현석 울산과학기술원 자연과학부 교수와 신현진 삼성전자 종합기술원 전문연구원, 기초과학연구원 등의 국제 공동연구팀이 유전율이 매우 낮은 절연체 개발에 성공했다고 밝혔다. 연구 결과는 25일(현지시간) 국제 학술지인 네이처에 소개됐다.
새로운 절연체 개발
연구팀은 비정질 질화붕소 소재를 합성하는데 성공했다. 이 소재는 기존 절연체보다 유전율이 30% 이상 낮은 소재다. 반도체 소재 내 금속 배선에서 전자가 다른 부분으로 이탈하는 것을 막는 절연체는 외부 전기장에 반응하는 민감도를 나타내는 유전율이 낮아야 한다. 유전율이 낮을수록 전기적 간섭이 줄어 반도체 소자 내 급속 배선의 간격을 줄일 수 있다. 더욱 작은 반도체를 만들 수 있게 되는 것이다.
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 핵심인 상황이다.
연구팀은 새로 개발한 소재의 유전율이 1.78로, 현재 반도체 공정에서 사용되는 절연체는 다공성 유기규산염으로 유전율(2.5)보다 낮다는 점에서 반도체 칩의 전력 소모를 줄이고 작동 속도도 높일 수 있을 것으로 기대했다.
연구팀은 또 기존 절연체는 미세한 공기 구멍을 넣어 강도가 약하다는 단점이 있었는데 비정질 질화붕소를 사용하면 공기 구멍이 없어도 돼, 높은 강도를 유지할 수 있다고 밝혔다.
연구팀은 이번 연구를 통해 이론적 계산 및 포항가속기연구소 4D 빔라인을 활용해 비정질 질화붕소의 유전율이 낮은 이유가 '원자 배열의 불규칙성' 때문이라는 점도 밝혀냈다.
반도체, 더 빨라지고 더 작아진다
제1저자인 홍석모 UNIST 박사과정 연구원은 "낮은 온도에서 육방정계 질화붕소(화이트 그래핀)가 기판에 증착되는지 연구하던 중 우연히 '비정질 질화붕소'의 유전율 특성을 발견했고, 반도체 절연체로써 적용 가능성을 확인했다"고 연구과정을 밝혔다.
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 전략을 이어갈 수 있는 핵심 소재기술"이라고 강조했다.
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.
황준호 기자 rephwang@asiae.co.kr
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IBS 이효철 교수팀, 펨토초 특수광원으로 화학결합 진행 중 원자 관찰
"촉매반응·인체 내 생화학반응 메커니즘 규명·효율 향상 기대"
(서울=연합뉴스) 이주영 기자 = 국내 연구진이 원자들이 결합해 분자가 만들어지는 화학결합 전체 과정에서 원자들의 실제 움직임을 실시간으로 관찰하는 데 처음으로 성공했다.
기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단 이효철 부연구단장(KAIST 화학과 교수) 연구팀은 25일 국제학술지 '네이처'(Nature)에서 포항 4세대 방사광가속기의 X-선자유전자레이저(펨토초 X선 펄스)를 이용, 화학결합을 형성하는 분자 내 원자들의 실시간 위치와 운동을 관측하는 데 성공했다고 밝혔다.
펨토초 X선 회절법으로 관찰한 금 삼합체의 화학결합 메커니즘펨토초 X선 회절법 실험을 통해 금 원자 3개로 이루어진 금 삼합체가 2단계 결합을 통해 만들어진다는 것을 확인했다. 레이저를 쪼인 뒤 35펨토초 만에 가까이 있던 금 원자 2개 사이에 결합이 형성되고 360펨토초 후 나머지 금 원자 1개가 결합해 금 삼합체가 완성된다. [IBS 나노물질 및 화학반응 연구단 제공. 재판매 및 DB 금지]
연구 결과는 화학반응의 시작부터 끝까지 전체 과정의 원자 움직임을 실시간으로 관찰하는 데 처음으로 성공한 것이다. 이 교수팀은 2005년 분자결합이 끊어지는 순간을 관찰해 '사이언스'(Science)에 발표하고, 2015년에는 화학결합이 끝나 분자가 탄생하는 순간을 포착해 '네이처'에 발표한 바 있다.
이전 연구가 화학반응 시작과 끝의 원자들 모습을 사진으로 찍은 것이라면 이번 연구 결과는 화학반응이 진행되는 동안 원자들의 움직임을 동영상으로 촬영한 것이라고 할 수 있다.
화학반응 과정을 관찰하기 어려운 것은 원자 크기와 반응 공간이 옹스트롬(Å:1억분의 1㎝) 단위로 측정해야 할 만큼 작은 데다 반응속도는 펨토초(fs:1천조분의 1초) 단위로 측정해야 할 만큼 빠르기 때문이다.
파장이 수백나노미터(㎚:10억분의 1ｍ)인 가시광으로는 원자를 관찰할 수 없고, 수천~수만분의 1초 정도의 시간분해능으로는 화학반응의 빠른 속도를 관찰할 수 없다.
연구팀은 화학반응의 펨토초 순간을 관측하기 위해 포항 4세대 방사광가속기의 X-선 자유전자 레이저(펨토초 X선 펄스)를 이용했다.
펨토초 X선 펄스는 파장이 10~0.01㎚로 짧아 원자 단위 관찰에 적합하고 펄스 형태의 X선이 펨토초 단위로 방출돼 시간분해능도 우수하다.
펨토초 엑스선 회절법 실험 과정의 모식도레이저 펄스에 의해 수용액상의 금 삼합체의 화학결합 생성 반응이 시작되고 특정 시간이 지난 뒤에 X선 회절 이미지를 얻고 분석해 분자의 삼차원 구조를 알아낸다. [IBS 나노물질 및 화학반응 연구단 제공. 재판매 및 DB 금지]
연구팀은 물속에 녹아 있는 금(Au) 원자에 레이저를 쏴 금 원자 3개가 결합하는 화학반응을 일으키고 이 과정을 펨토초 X선 펄스로 관찰했다.
화학반응이 진행 중인 금 원자들에 펨토초 X선 펄스를 쪼이면 X선 펄스가 원자에 부딪혀 산란하고 서로 간섭해 만들어지는 물결 모양 X선 산란 영상을 얻을 수 있다. 이 영상을 분석하면 펨토초 단위로 원자 위치 등을 파악할 수 있다.
분석 결과 3개의 금 원자로 이루어진 금 삼합체(trimer)는 결합해 두 개가 동시에 만들어지는 게 아니라 두 단계에 걸쳐 결합해 생성되는 것으로 나타났다.
레이저를 쪼이면 35펨토초 후 가까운 거리에 있던 금 원자 2개 사이에 먼저 공유결합이 만들어지고 360펨토초 후에 3번째 금 원자가 먼저 결합한 두 금 원자에 결합해 금 원자 3개가 일직선을 이루는 삼합체가 완성된다.
연구팀은 화학결합 형성 후 원자들이 같은 자리에 머물지 않고 원자들 간 거리가 늘어났다가 줄어드는 진동 운동을 하고 있음도 관측했다.
연구팀은 앞으로 단백질 같은 거대분자 반응뿐만 아니라 촉매분자의 반응 등 다양한 화학반응의 진행 과정을 원자 수준에서 규명해 나갈 계획이다.
제1 저자인 김종구 선임연구원은 "장기적 관점에서 꾸준히 연구해 반응 중인 분자의 진동과 반응 경로를 직접 추적하는 '펨토초 엑스선 회절법'을 완성할 수 있었다"며 "앞으로 다양한 유·무기 촉매 반응과 체내 생화학적 반응 메커니즘을 밝혀내면 효율이 좋은 촉매와 단백질 반응과 관련 신약 개발 등을 위한 기초정보를 제공할 수 있을 것"이라고 말했다.
IBS 이효철 교수(왼쪽.교신저자)와 김종구 선임연구원(제1저자)[IBS 나노물질 및 화학반응 연구단 제공. 재판매 및 DB 금지]
scitech@yna.co.kr
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IBS 이효철 교수팀, 펨토초 특수광원으로 화학결합 진행 중 원자 관찰
"촉매반응·인체 내 생화학반응 메커니즘 규명·효율 향상 기대"
(서울=연합뉴스) 이주영 기자 = 국내 연구진이 원자들이 결합해 분자가 만들어지는 화학결합 전체 과정에서 원자들의 실제 움직임을 실시간으로 관찰하는 데 처음으로 성공했다.
기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단 이효철 부연구단장(KAIST 화학과 교수) 연구팀은 25일 국제학술지 '네이처'(Nature)에서 포항 4세대 방사광가속기의 X-선자유전자레이저(펨토초 X선 펄스)를 이용, 화학결합을 형성하는 분자 내 원자들의 실시간 위치와 운동을 관측하는 데 성공했다고 밝혔다.
펨토초 X선 회절법으로 관찰한 금 삼합체의 화학결합 메커니즘펨토초 X선 회절법 실험을 통해 금 원자 3개로 이루어진 금 삼합체가 2단계 결합을 통해 만들어진다는 것을 확인했다. 레이저를 쪼인 뒤 35펨토초 만에 가까이 있던 금 원자 2개 사이에 결합이 형성되고 360펨토초 후 나머지 금 원자 1개가 결합해 금 삼합체가 완성된다. [IBS 나노물질 및 화학반응 연구단 제공. 재판매 및 DB 금지]연구 결과는 화학반응의 시작부터 끝까지 전체 과정의 원자 움직임을 실시간으로 관찰하는 데 처음으로 성공한 것이다. 이 교수팀은 2005년 분자결합이 끊어지는 순간을 관찰해 '사이언스'(Science)에 발표하고, 2015년에는 화학결합이 끝나 분자가 탄생하는 순간을 포착해 '네이처'에 발표한 바 있다.
이전 연구가 화학반응 시작과 끝의 원자들 모습을 사진으로 찍은 것이라면 이번 연구 결과는 화학반응이 진행되는 동안 원자들의 움직임을 동영상으로 촬영한 것이라고 할 수 있다.
화학반응 과정을 관찰하기 어려운 것은 원자 크기와 반응 공간이 옹스트롬(Å:1억분의 1㎝) 단위로 측정해야 할 만큼 작은 데다 반응속도는 펨토초(fs:1천조분의 1초) 단위로 측정해야 할 만큼 빠르기 때문이다.
파장이 수백나노미터(㎚:10억분의 1ｍ)인 가시광으로는 원자를 관찰할 수 없고, 수천~수만분의 1초 정도의 시간분해능으로는 화학반응의 빠른 속도를 관찰할 수 없다.
연구팀은 화학반응의 펨토초 순간을 관측하기 위해 포항 4세대 방사광가속기의 X-선 자유전자 레이저(펨토초 X선 펄스)를 이용했다.
펨토초 X선 펄스는 파장이 10~0.01㎚로 짧아 원자 단위 관찰에 적합하고 펄스 형태의 X선이 펨토초 단위로 방출돼 시간분해능도 우수하다.
펨토초 엑스선 회절법 실험 과정의 모식도레이저 펄스에 의해 수용액상의 금 삼합체의 화학결합 생성 반응이 시작되고 특정 시간이 지난 뒤에 X선 회절 이미지를 얻고 분석해 분자의 삼차원 구조를 알아낸다. [IBS 나노물질 및 화학반응 연구단 제공. 재판매 및 DB 금지]연구팀은 물속에 녹아 있는 금(Au) 원자에 레이저를 쏴 금 원자 3개가 결합하는 화학반응을 일으키고 이 과정을 펨토초 X선 펄스로 관찰했다.
화학반응이 진행 중인 금 원자들에 펨토초 X선 펄스를 쪼이면 X선 펄스가 원자에 부딪혀 산란하고 서로 간섭해 만들어지는 물결 모양 X선 산란 영상을 얻을 수 있다. 이 영상을 분석하면 펨토초 단위로 원자 위치 등을 파악할 수 있다.
분석 결과 3개의 금 원자로 이루어진 금 삼합체(trimer)는 결합해 두 개가 동시에 만들어지는 게 아니라 두 단계에 걸쳐 결합해 생성되는 것으로 나타났다.
레이저를 쪼이면 35펨토초 후 가까운 거리에 있던 금 원자 2개 사이에 먼저 공유결합이 만들어지고 360펨토초 후에 3번째 금 원자가 먼저 결합한 두 금 원자에 결합해 금 원자 3개가 일직선을 이루는 삼합체가 완성된다.
연구팀은 화학결합 형성 후 원자들이 같은 자리에 머물지 않고 원자들 간 거리가 늘어났다가 줄어드는 진동 운동을 하고 있음도 관측했다.
연구팀은 앞으로 단백질 같은 거대분자 반응뿐만 아니라 촉매분자의 반응 등 다양한 화학반응의 진행 과정을 원자 수준에서 규명해 나갈 계획이다.
제1 저자인 김종구 선임연구원은 "장기적 관점에서 꾸준히 연구해 반응 중인 분자의 진동과 반응 경로를 직접 추적하는 '펨토초 엑스선 회절법'을 완성할 수 있었다"며 "앞으로 다양한 유·무기 촉매 반응과 체내 생화학적 반응 메커니즘을 밝혀내면 효율이 좋은 촉매와 단백질 반응과 관련 신약 개발 등을 위한 기초정보를 제공할 수 있을 것"이라고 말했다.
IBS 이효철 교수(왼쪽.교신저자)와 김종구 선임연구원(제1저자)[IBS 나노물질 및 화학반응 연구단 제공. 재판매 및 DB 금지]scitech@yna.co.kr
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