국내에서 만든 최초의 휴대전화는 지난 1988년 서울 올림픽에 맞춰 출시됐다. 한 손으로 들 수 없을 정도로 두껍고 무겁다는 이유로 ‘벽돌폰’이라는 별명이 붙었던 휴대전화는 불과 30여 년 만에 얇고 세련된 형태로 발전했다.
지금의 휴대전화가 과거에 비해 얇고 세련된 형태로 바뀔 수 있었던 까닭은 부품이나 설계, 그리고 소재와 관련된 기술이 모두 함께 발전했기 때문이다. 하지만 그중에서도 메모리 반도체의 발전은 벽돌폰을 스마트폰으로 변신시킨 가장 결정적 요인이라 할 수 있다.
반도체 크기는 과거에 비해 작아졌지만, 기능은 오히려 대폭 확대됐다. 그 이유는 크기가 작아진 반면에 정보를 담을 수 있는 능력인 집적도가 높아졌기 때문인데, 휴대전화의 변천사를 떠올려 보면 얼마나 가파른 속도로 메모리 반도체 기술이 발전해 왔는지 알 수 있다.

D램과 플래시 메모리는 집적도 향상에 한계 있어

모든 디지털 기기에는 정보를 저장할 수 있는 부품인 메모리(memory) 반도체가 필요하다. 메모리 반도체의 종류는 매우 다양하지만 일반적으로 가장 많이 사용되고 있는 메모리로는 ‘D램(Dynamic Random Access Memory)’과 ‘플래시 메모리(Flash Memory)’가 꼽힌다.
D램의 세계 시장은 단연 우리나라가 점유하고 있다. 미국의 IT 분야 시장조사업체인 트렌드포스(Trendforce)의 최근 보고서에 따르면 우리나라의 D램 시장 점유율은 73.6%에 달하는 것으로 나타났다. 그리고 그 뒤를 미국이 21%, 대만이 4.4%를 차지하고 있다.
플래시 메모리 시장도 마찬가지다. D램보다는 시장 점유율 면에서 떨어지지만 그래도 우리나라가 43.1%로서 1위를 차지하고 있다. 그 뒤를 미국이 37.5%로 바싹 추격하고 있고, 일본이 18.7%를 점유하고 있다.
두 메모리가 반도체 시장을 양분하고 있었던 데에는 그럴만한 이유가 있다. D램의 경우 데이터를 빠른 속도로 처리한다는 장점을 갖고 있고, 플래시 메모리는 비휘발성 메모리여서 전원이 공급되지 않아도 데이터를 저장할 수 있기 때문이다. 또한 플래시 메모리는 작고 가볍게 만들 수 있는 데다가 물리적인 충격에도 강한 장점을 갖고 있다.
물론 단점도 있다. D램은 방전되면 저장되어 있던 기록이 사라지는 휘발성 메모리여서 끊임없이 전원을 공급해 주어야 한다는 단점을 갖고 있다. 반면에 플래시 메모리는 D램 에 비해 처리 속도가 현저히 느린 것이 단점이다.
두 메모리가 공통적으로 갖고 있는 문제도 있다. 바로 집적도를 높이는 데 있어 한계가 있다는 점이다. D램의 경우 집적도를 높이기 어려운 이유로 1개의 트랜지스터(transistor)와 1개의 캐패시터(capacitor)로 구성되어 있는 단순한 구조가 지목되고 있다.
트랜지스터는 캐패시터의 입구를 열었다 닫았다 하는 역할을 하는 것이고, 캐패시터는 전하를 저장하는 역할을 한다. 캐패시터에 전하가 저장되어 있을 때는 ‘1’이라고 인식하고 없을 때는 ‘0’이라고 인식하는 것이다.
그런데 캐패시터에 저장되어 있는 전하는 손실이 생길 수 있으므로 계속해서 전력을 공급하여 전하를 보충해 주어야만 한다. 이러한 동작을 리프레시(refresh)라고 하는데 1초에 수십 번 정도의 횟수로 동작을 한다.
집적도를 높일 수 없는 문제는 바로 이 같은 리프레시 동작에 있다. D램의 경우 메모리가 정상적으로 작동하려면 리프레시 동작이 지속적으로 일어나야 하는데, 이런 동작들로 인해 반도체를 더 이상 작게 만들 수 없게 되는 것이다.

F램은 D램과 플래시 메모리의 장점만 보유

F램(Ferroelectric Random Access Memory)은 D램과 플래시 메모리의 장점만을 딴 차세대 메모리다. 전원이 공급되지 않아도 데이터를 반영구적으로 보존할 수 있으면서, 빠르게 정보를 처리할 수 있다.
다시 말해 전원이 공급되지 않아도 데이터를 반영구적으로 보존할 수 있는 비휘발성 성질을 갖고 있으면서, 플래시 메모리보다 빠르게 정보를 기록하고 처리할 수 있는 메모리가 강유전체 메모리인 F램인 것이다.
이런 이유로 최근 10여 년 동안 미국을 비롯한 전 세계 여러 반도체 업체들이 차세대 메모리 반도체 중 하나인 F램 개발에 집중하고 있다. F램에 쓰이는 강유전체 물질만 해도 무려 100여 종이 넘게 개발됐을 정도다.
그렇다면 어째서 아직까지 F램이 실용화되지 못한 것일까. 그 이유는 F램 개발을 위해서는 해결해야 할 과제들이 있기 때문이다. 그중에서도 F램에 사용되는 강유전체 물질의 박막 두께를 얇게 만드는 과정에 있어 반도체 업체들은 수많은 시행착오를 겪어왔다.
그런데 이 같은 문제를 극복할 수 있는 연구결과가 최근 국내 연구진에 의해 밝혀져 주목을 끌고 있다. 서울대 기능집적형산화물복합구조연구단 연구진이 개발한 이 기술은 금속물질인 배리움(Beryllium)과 타이타니움(Titanium)에 산소를 화합하여 5nm 두께에서도 전기적 성질을 가지는 F램의 박막 두께를 만들 수 있다.
그동안 보편적으로 쓰여온 강유전체의 박막 두께가 약 100nm 정도인 것을 감안하면, 서울대 연구진이 개발한 박막 두께는 5nm까지 낮춘 것이어서 상당한 성과로 평가받고 있다. 이 기술이 실제로 반도체 개발에 적용된다면 지금보다 훨씬 작은 크기의 F램을 만드는 것이 가능해진다는 것이 업계의 시각이다.