고려대 신소재공학부 이경진 교수 연구팀이 국제공동연구를 통해 새로운 자성소재를 적용한 'MDW-MRAM'의 소비 전력을 95% 이상 줄일 수 있는 원천기술을 세계 최초로 개발하는 데 성공했다. /삼성전자 제공

차세대 반도체·2차 전지 등 삼성미래기술육성사업 성과 가시화

[더팩트 | 서재근 기자] 삼성이 국가 미래 과학기술 경쟁력 제고를 위해 삼성미래기술육성사업을 통해 지원한 차세대 반도체, 2차 전지와 같은 미래 부품 소재 연구 과제가 세계적인 학술지에 잇따라 게재되는 등 지원 사업의 성과가 가시화하고 있다.

한일 무역 갈등 등 대외 불확실성이 확산하면서 기술개발에 대한 필요성이 더욱 부각하고 있는 가운데 대기업이 지속적인 지원을 이어 온 원천기술 육성 프로젝트가 산업적 측면에서 다양한 분야에서 연계할 수 있는 결과물을 창출해 냈다는 점에서 더욱 의미가 크다.

24일 삼성과 업계에 따르면 고려대 신소재공학부 이경진 교수 연구팀이 일본 교토대, 미국 미주리대, 카이스트 등과 국제공동연구를 통해 새로운 자성소재를 적용한 'MDW(Magnetic Domain Wall)-MRAM'의 소비 전력을 95% 이상 절감시킬 수 있는 원천기술을 세계 최초로 개발했다.

삼성전자가 지난 2017년 12월 삼성미래기술육성사업 지원과제로 선정한 해당 연구 결과는 현지 시간으로 지난 18일 세계적인 학술지 '네이처 일렉트로닉스'에 발표됐다.

DRAM은 초고속 데이터처리, 고밀도 저장, 저전력 구동 등 장점이 있지만, 데이터 저장을 위해 사용하지 않을 때도 계속 전원을 공급해야 하는 단점이 있다. 이를 극복하기 위해 개발된 MDW-MRAM은 자성 소재에 스핀을 주입해 구동하기 때문에 초고속 처리가 가능하고 전력을 공급하지 않아도 데이터를 장기간 저장할 수 있지만, 고밀도 데이터 저장을 위해 필요한 구동 전류가 너무 높다는 한계를 극복하지 못했다.

연구팀은 MDW-MRAM에 기존에 사용되어 왔던 강자성 소재를 새로운 페리자성 소재로 변경, 스핀 전달 효율이 20배 정도로 커져 구동 전류 효율이 20배 이상 개선되는 것은 물론 소비전력을 기존 대비 95% 이상 절감할 수 있는 해법을 제시하는 데 성공했다.

이 교수는 "이번 연구 결과는 차세대 MDW-MRAM 기술의 중요한 난제였던 높은 전력소모 문제를 해결할 수 있는 가능성을 보여줬다는 것에 큰 의미가 있다"며 "MRAM은 비휘발성, 고밀도, 저전력을 동시에 만족하는 특성이 있어 AI, 자율주행, IoT 등 향후 4차 산업혁명 기술발전에 있어 파급 효과가 있을 것으로 기대된다"고 설명했다.

성균관대 윤원섭 교수와 고려대 강용묵 교수 공동 연구팀은 2차 전지 충전용량의 한계를 극복할 수 있는 기술을 개발했다.

이 외에도 성균관대 윤원섭 교수와 고려대 강용묵 교수 공동 연구팀은 2차 전지 충전용량의 한계를 극복할 수 있는 기술 개발에 성공했다. 해당 연구 역시 삼성전자가 2017년 6월 삼성미래기술육성사업 연구지원 과제로 선정한 것으로 지난 2일 세계적인 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'에 게재됐다.

스마트폰, 전기차 등에 사용되는 2차 전지를 얼마나 오랜 시간 동안 사용할 수 있는지는 양극 소재의 성능에 대부분 의존한다.

현재 2차 전지에 사용되고 있는 양극 소재는 전기를 운반하는 양이온층과 금속산화물층이 교대로 적층된 형태의 구조물로 전지 충방전 과정에서 일정량 이상의 양이온이 움직이게 되면 층간 구조가 무너져 회복되지 않는 성질이 있다.

이 같은 비가역적 구조 변화로 양극 소재가 본래 저장할 수 있는 충전용량을 100% 사용할 수 없는 것이 2차 전지의 성능 한계였다. 공동 연구팀은 망간계 산화물인 '버네사이트'를 이용하면 층과 층 사이에 존재하는 결정수의 양과 위치에 따라 층간 구조적 특징을 제어할 수 있다는 점에 착안해 충방전 과정에서 발생하는 구조 변화를 가역적으로 만들어 충전용량을 100% 활용할 수 있는 가능성을 제시했다.

윤 교수는 "이번 연구결과는 충방전 과정에서 발생하는 양극 소재의 구조 변화를 근본적으로 뛰어넘을 수 있는 새로운 패러다임을 최초로 제시한 연구 결과이다"라고 말했다. 또 강용묵 교수는 "가역적인 구조변화가 다양한 적층 소재에 확대 적용될 수 있다면 이론적 한계에 거의 도달한 2차 전지 양극 소재 개발에 박차를 가할 것으로 기대된다"고 말했다.

한편, 삼성미래기술육성사업은 국가 미래 과학기술 연구 지원을 위해 지난 2013년부터 10년 동안 1조5000억 원을 지원하고 있으며, 지금까지 534개 과제에 6852억 원을 집행했다.

likehyo85@tf.co.kr