반도체 혁명, 기존 '이진법 메모리' 아닌 '다진법 메모리' 시대 열린다!

"더이상 반도체 미국 승인 필요없다" 

울산대가 성공한 '빛' 추진 반도체 엔진 듣도보도 못한 '0차원' 기술에 전세계 경악 

기존 '이진법 메모리' 아닌 '다진법 메모리' 시대 열린다 

 

최근 인플레이션 감축법으로 한국의 뒤통수를 날렸던 미국 정부가 뜻하지 않은 한국의 발견에 당혹감을 감추지 못하고 있어 화제입니다. 미국은 SK와 삼성 등 한국 기업에 대한 중국 투자를 전면 금지시키는 한편, 정작 자국 기업인 애플과 인텔에게는 중국의 1위 낸드플래시 업체인 YMTC 와의 결탁을 눈감아주며 비난을 자초했습니다. 중국 시장 비중이 큰 한국반도체 업계로서 이 소식은 재앙과 같았습니다. 이제 코로나 시대를 뚫고 온 마당에 아무런 대비가 되어 있지 못했던 한국의 상황상 전문가들은 이를 고의적인 한국 죽이기라 말할 정도로 비관적인 반응을 보였습니다.

 

이미 중국과의 기술 격차가 6개월로 바짝 좁혀진 마당에 한국이 이러한 최악의 상황을 극복하기 위해서는 오직 기존 반도체 패러다임을 뛰어넘는 새로운 원천 기술 개발이 시급했습니다. 그런데 최근 UNIST 와 울산대의 한국 물리학자들이 기적적으로 이를 성공시켜 놀라움을 주고 있습니다. 선진국 그 누구도 성공한 적 없는 새로운 메모리 기술 혁명을 이룩한 것인데요. 

  

Close-up electronic circuit board. technology style concept.

 

일명 0차원 공허라 불리는 이 기술이 조기에 상용화된다면 중국과 일본은 물론 반도체 장비 원천 기술을 보유한 미국마저 모든 메모리 역사를 새로 써야 하는 상황에 놓일 것입니다. 현재 미중의 3개국은 이것이 정말 가능한 기술인지 각계의 전문가들을 모아 심층 분석에 돌입했는데요. 전 세계를 경악시킨 0차원 공허가 무엇이고 이를 통해 한국에 얻을 수 있는 경제적 규모가 어느 정도로 예상되는지 알아보도록 하겠습니다.  

 

산소 빈자리로 만들어진 0차원 공허 주변의 크리스탈(결정) 구조 변형 모식도. [사진=UNIST].

 

얼마 전 로이터 통신에 따르면 애플은 올해 YMTC 의 128 단 낸드를 아이폰 14 와 보급형 모델 SE 3세대에 탑재할 계획을 확정했다고 보도했습니다. SK하이닉스와 기옥시아에 이어 3번째 낸드 공급 업체로 YMTC를 낙점한 것인데요. 애플이 자사의 소프트웨어 기술과 노하우를 이용해 YMTC에 부족한 기술력을 보완해 주고 있다는 분석도 여기서 기인했습니다. 

 

중국 후베이성 우한에 있는 YMTC 낸드플래시 공장 전경. /YMTC 제공.

 

중국 반도체 산업에 대한 미국의 견제가 거세지만 정작 이 같은 미국 기업들의 이중적 행보는 한국 반도체 업계에게 극복하기 어려운 악재나 다름없었습니다. 반도체 업계에서는 애플이 중국 메모리 반도체 산업의 날개를 달아졌다는 평가도 나오고 있습니다. 중국은 미국 반도체 제재로 저가 파운드리와 반도체 설계 분야에만 집중하고 있었지만 YMTC가 애플을 고객사로 확보하며 세계 메모리 반도체 시장에서 약진할 계기를 마련했기 때문입니다. YMTC는 중국 유일의 낸드플래시 양산기업으로 반도체 치킨게임으로 불린 설비 경쟁 이후 중국 반도체 굴기의 핵심기업으로 꼽히고 있습니다. 사실상 국가자본 성격인 지분 51%의 칭화유니와 24 %의 중국 반도체기금, 후베이성 25% 등 지분 100%를 갖고 있습니다. 

 

최소 280억 위안의 정부 지원금이 됐고 관계사로 거느린 중국 반도체 소재와 장비 패키징 회사들만 해도 수십 곳입니다. 국내 반도체 전문가들 오늘 YMTC가 낸드플래시 분야에서 빠르게 선발 업체와 기술 격차를 줄일 수 있었던 배경의 애플의 기술 지원의 영향으로 고 있으며 실제로 애플엔 자신들의 소프트웨어와 시스템 통합 기술을 이용해 아직 품질이 떨어지는 YMTC의 낸드를 아이폰의 탑재 가능한 수준으로 업그레이드하고 있음이 최근 보도를 통해 드러났습니다. 이는 반도체 최대 해외시장인 중국 정부의 환심을 사기 위한 전략이라는 분석입니다. 애플은 연간 매출의 약 20%를 중국 시장에서 거두고 제품 85%를 중국에서 조립할 정도로 의존도가 높습니다. 미중이 서로 무역 보복을 주고받는 와중에도 어플은 작년 4분기에 중국 비보아, 오포 등을 제치고 6년 만에 중국 스마트폰 시장 분기 1위를 재탈환했으며 이러한 애플과 YMTC 의 밀월에 한국 반도체 업계엔 비상이 걸렸습니다.

 

▲ 애플과 중국정부간 비밀협약을 맺은 기사를 다룬 미국의 비즈니스인사이더(BI).

 

D램 시장은 삼성전자와 SK하이닉스, 마이크론 3강 구도로 굳어졌지만 낸드시장은 한국 기업을 필도로 6-7개 기업들이 경쟁을 벌이고 있습니다. 드 시장은 삼성전자가 점유율 35.5 %, SK아이닉스 18.1 %로 각각 1, 3위를 차지하고 있고 중국 매출 비중이 높았기에 YMTC가 애플을 등에 업고 중국 시장 점유율을 확대하면 타격이 불가 귀한 상황입니다. 업계 관계자는 미국 정부가 반도체 지원법을 통해 다른 나라 기업들의 중국 반도체 사업을 제한하면서도 정작 자국 기업의 중국 지원은 모른 체하고 있다며 상황을 면밀히 모니터링하고 적극적으로 대응해야 한다고 지적했습니다. 수십 년간 쌓아 올린 한국 반도체 인프라가 한순간에 무너져 내릴 수 있었기 때문이죠. 

 

 

이로써 한국으로서는 이제 단 한 번의 기적이 일어나길 바랄 수밖에 없는 상황입니다. 아예 차원이 다른 기술 개발을 통해 애플과 인텔 등 미국 기업 중국을 버리고 한국과의 계약을 강행할 수밖에 없는 환경을 조성하는 것이죠. 그런데 최근 UNIST 와 울산대 연구진들이 그동안 불가능한 기술로 여겨진 0차원의 반도체 개발에 성공에 놀라움을 주고 있습니다. 하루가 다르게 발전하는 반도체 기술과 관련 이미 전 세계 연구진들은 외부 전기장이 없이도 스스로 분극을 가지는 유전체 메모리 시대를 열기 위해 엄청난 자금을 연구에 쏟아붓고 있었습니다. 지난 19일 UNIST 와 울산대학교 물리학과 연구팀은 공동연구를 통해 이러한 상호작용이 물질의 유전률 크기를 변화시킬 수 있음을 세계 최초로 발견했다고 폭탄선언 날렸습니다. 이 놀라운 연구 결과는 응집물질 물리학 분야에서 세계 2대 저널이라 불리는 어드밴스드 머티리얼스에 2022년 9월 7일자로 세계 최초로 공개됐습니다. 

 

참고로 도체와 부도체의 중간 정도 물질인 반도체는 가해진 전압이나 빛의 파장 등에 의해 전도도 및 저항이 바뀌는 성질을 이용해 디지털 정보를 저장하는 메모리 소자로 만들어집니다. 반면, 울산대 연구팀이 발견한 유전체는 전기장 안에서 극성을 지니게 되는 절연체로 전기가 흐르지 않지만 전압에 대해서는 유전체의 음전하가 음전압에 대해서는 유전체의 양전하가 늘어나면서 극성을 지니며 유전체에 따라 극이 나뉘는 정도가 다른 특성을 나타냈습니다. 같은 양의 물질이라도 유전율이 더 높으면 더 많은 전하를 저장할 수 있기 때문에 유전률이 높을 수 전기장의 세기가 감소하고 전기 용량 또한 커지게 되는 구조입니다. 따라서 이를 이용해 메모리 소자를 만들게 되면 반도체가 가진 단점이나 문제점들이 모조리 해결될 수 있다는 게 연구팀의 설명입니다.  

 

  

현재 반도체 소자들은 더 작은 공간에서 더 많은 정보를 처리할 수 있도록 집적도를 높이는 방식이지만 유전체 소자는 에너지 지 효율이 높고 반도체처럼 열을 발생시키지 않습니다. 전기를 이용하지 않고 유전율이라는 고유 특성으로 정보를 제고 공화는 메모리를 만들 수 있어 비휘발성인데다 직접도 문제에 관해서도 자연스레 해방될 수 있는 것이죠. 공동연구팀은 이를 통해 새로운 강류 전체 박막을 개발하여 0차원 공원을 만드는 데 성공했습니다. 이 박막은 기존 티탄산바륨과 전혀 다른 대칭성을 가지는 새로운 강의 전체로 기존 웨이퍼들 대비 압도적으로 큰 크기로 티탄산바륨 박막에 0차원 공허, 즉 텅 비어 있는 공간을 형성하면 주변 원자들 사이의 상호작용을 통해 박막 소재에 유전율 크기를 변화시킬 수 있습니다. 이렇게 변화는 유전율을 메모리 정보에 사용하면 저항을 이용하는 반도체 메모리보다 에너지 효율이 높고 발열이 없는 메모리 소자 구현이 가능합니다. 

 

0차원 공허와 원자 간 상호작용으로 구현된 다중 유전 상태.티탄산바륨에 산소 원자가 빠져 0차원 공허가 된 상태(가운데)와 전기장을 주어서 분극을 유도한 상태(좌우)는 각각 다른 유전율을 보인다. 이런 상태를 조합하면 0과 1을 조합해 정보를 저장하는 반도체 메모리처럼 유전체 메모리를 만들 수 있다.   출처 : 인공지능신문(https://www.aitimes.kr).

 

0차원 공허와 주변 원자 사이의 상호작용을 이용하면 1과 0만 쓰는 이진법 메모리보다 다양한 조합이 가능하여 다진법 메모리를 구현할 수 있기 때문입니다. 이를 한마디로 말하자면, 기존에 개발된 낸드플래시들이 모조리 구시대 기술로 추락한다는 것을 뜻합니다. 6개월로 줄어든 중국과의 반도체 기술 격차는 최소 5년 이상 벌어질 것이며 중국에 투자한 애플의 천문학적인 자금도 한순간에 잿더미로 변할 수 있습니다. 현재 이 소식의 미국과 중국 업계에서는 단연코 불가능한 기술이라 떼를 쓰고 있지만 정작 뒤에서는 해당 연구 논문을 검증하는 등 무척이나 긴장하는 이중적 행보를 보이고 있습니다. 한국은 언제나 그래 왔습니다. 위기를 기회로 발판 삼아 수십 단계 도약하며 모든 외부 견제들을 무위로 돌려왔는데요. 이번 발견은 반도체 업계에 새로운 지각 변동을 일으킬 것이며 제 2의 한강의 기적이 될 것이라 말하는 것도 바로 이 같은 한국인들의 자신감에서 비롯된 것입니다.