[Industry] 에너지 효율적인 반도체, 터널링 트랜지스터와 스핀 트랜지스터

우리나라에서 가장 큰 산업 중 하나는 반도체이다. 우리나라가 강점을 가지고 있는 반도체는 메모리 반도체인데, 해당 분야에서 삼성전자와 SK하이닉스는 세계 1, 2위를 차지하고 있다. 기간 산업인 반도체 산업을 지키기 위해서는 나타나는 새로운 기술들에 민감하게 반응하고 세계 경쟁 기업들보다 선제적으로 대응하는 것이 필요하다. MIT Technology Review에 따르면 최근 Intel에서 기존 실리콘 트랜지스터(Silicon Transistor)와는 다른 새로운 기술의 반도체를 개발할 계획이라고 한다.

             새로운 기술로 만들 반도체에는 2가지 후보 군이 있는데 하나는 ‘Tunneling Transistor’이고, 다른 하나는 스핀트로닉스(Spintronics) 기술을 이용한 ‘Spin Transistor’이다. 두 기술 모두 칩의 디자인, 제조 방식에 큰 변화를 일으킬 것이며 기존 실리콘 트랜지스터을 보완하여 함께 이용될 것으로 예상된다고 한다.

             지금까지 반도체는 무어의 법칙(Moore’s Law)에 따라 더 작게, 더 빠르게 연산을 처리하도록 발전해왔다. 하지만 새로운 기술을 이용하여 만드는 반도체들은 기존 실리콘 트랜지스터 보다 속도 측면의 개선은 없을 것으로 보인다. 대신 과거 칩들과 비교하여 에너지 효율성(Energy Efficiency)이 향상될 것으로 보인다. 최근 클라우드 컴퓨팅(Cloud Computing), 모바일 기기들, 그리고 로봇(Robotics), 그리고 특히나 사물인터넷(IoT)에서 성능은 떨어지더라도 전력소비를 최소화하는 기기의 수요가 증가하고 있다. 이 때문에 이렇듯 에너지 효율적인 신기술에 대한 수요가 빠르게 증가할 것으로 보인다.

 

 

             두 기술 중 ‘Tunneling Transistor’은 상업화가 되기에는 아직 꽤 시간이 걸릴 듯 하다. 이 기술은 전자(electron)의 양자 역학적인 특성을 이용한다. 트랜지스터는 Source(S), Gate(G), Drain(D) 으로 구성되어 있는데, Gate를 조절해 가며 S à D 로 전류가 흐를지 말지 결정한다. 기존의 MOSFET는 이 Gate의 전압을 조정해가며 트랜지스터의 on/off 를 조절한다. 그런데 크기가 작아질수록 이 트랜지스터에 한계가 오는데, 양자역학의 범주인 터널링(Tunneling) 현상 때문이다. 전자는 한 위치에 있는 것이 아니라 어느 위치에 있을 확률로 존재하는데, 트랜지스터의 크기가 작아지면 이 확률분포의 크기가 트랜지스터의 배리어와 비슷해져 전자가 격벽의 다른 쪽으로 이동(tunnel) 하는 현상이 발생하는 것이다. 새로운 트랜지스터 형태인 Tunneling FET(TFET)는 역으로 이 터널링 현상을 이용한다. Gate가 항상 S àD 로 가는 흐름을 물리적으로 막고 있지만, 전자의 확률분포를 조절하며 이 물리적 Gate를 뚫고 Drain으로 전자가 이동할 수 있게 하는 것이다. 전압을 조절할 필요가 없기에(에너지는 전압의 제곱에 비례하기 때문에, 전압을 올릴 때는 그 전압만큼의 에너지를 충전해주어야 한다) 훨씬 더 적은 에너지를 사용하여 트랜지스터를 가동시킬 수 있게 되는 것이다.

             ‘스핀트로닉스(Spintronics)’를 이용한 기기의 경우 상업화에 임박해 있으며 내년 정도면 시장에 나올 수도 있다. 이 기술은 전자의 전하뿐만 아니라 전자의 양자역학적인 고유한 회전운동인 ‘스핀(spin)’까지 이용하여 새로운 개념의 반도체를 만드는 것이다. 기존 반도체가 반도체 안의 전하를 조절하여 전하의 양이 많고 적음만을 신호로 이용하였다면, 스핀트로닉스는 여기에 전하의 회전 방향(스핀)을 위, 아래로 구분하여 또 하나의 신호로 사용하는 것이다. 이 경우, 기본적으로 0-1 상태를 바꿀 때 건드리는 전자의 수가 줄어들기 때문에 전력 소모가 줄어들게 된다. 이는 내년에 정도에 저전력 메모리 칩(Low power memory chip)이나 고전력 그래픽 카드(High powered graphic card)에 이용될 것으로 예상되며, 도시바(Toshiba)는 기존 SRAM 대비 80% 적은 전력을 사용하는 Spintronic memory를 개발한 바 있다.

             ‘Tunneling transistor’와 ‘Spintronics’ 기술을 이용한 'Spin transistor' 모두 기존 반도체 업체들의 제조과정을 변혁시켜야 가능하다는 점에서 기술 발전 과정에 큰 장애물이 있을 것으로 보인다. 또한 이 두 기술은 에너지 소모량을 줄인 대신 실리콘 트랜지스터 대비 연산 처리 속도는 느리다는 단점을 가지고 있다. 하지만 향후 다가오는 사물인터넷(Internet of Things)에서는 특히나 속도보다 에너지 효율성이 더욱 중요하게 작용할 것이기 때문에 해당 기술의 발전 과정을 주의 깊게 볼 필요가 있어 보인다.

---

참고자료

MIT Technology Review, Intel: Chips will have to sacrifice speed gains for energy savings. By Katherine Bourzac.

https://www.technologyreview.com/s/600716/intel-chips-will-have-to-sacrifice-speed-gains-for-energy-savings/

IEEE Spectrum, The tunneling transistor, By Alan Seabaugh

http://spectrum.ieee.org/semiconductors/devices/the-tunneling-transistor

네이버 시사상식사전, 스핀트로닉스(spintronics),

http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=69687&cid=43667&categoryId=43667

Special Thank to

http://stementor.tistory.com/