내 손 안에 은행, 오락실, 일기장, 소통의 창구 등의 수많은 편리성을 제공하며 문명 시대에 필수품이 된 스마트폰. 그렇기에 스마트폰은 최고의 기술이 집약되는 현대 산업의 상징이 되었다. 이러한 스마트폰 기술 발전에 발목을 잡는 것이 발열 현상 때문임을 아는 사람은 많지 않다.
스마트폰의 발열 현상은 왜 일어나는 것일까? 그 이유는 최근 반도체의 집적도가 높아지면서 회로가 좁아져 흐르는 전류의 양을 감당하기 어려워졌기 때문이다. 이에 대해 삼성전자 전임 사장인 황창규 박사의 ‘황의 법칙’을 통해서 살펴보자. 반도체 기술발전 속도는 집적도(집적 회로의 단위 면적당 포함되는 소자의 수)로 가늠할 수 있는데, 황 박사는 집적도가 매해 두 배씩 늘어난다고 했다. 물론 이 법칙이 적용되지 않는 해도 있었지만, 대부분 삼성의 신제품 출시 시기와 맞물리며 설득력을 얻게 됐다. 이렇게 반도체 기술이 빠르게 발전하더라도 발열을 해결 해야 스마트폰이 원활히 작성한다. 그렇다면 매해 늘어나는 반도체의 직접도로 인한 발열 문제를 해결하기 위한 대책은 무엇일까?
최근 주목받는 답은 스핀트로닉스라고 불리는 차세대 반도체 소자의 활용이다. 이 소자는 전자의 전기적 특성과 자기적 특성을 모두 이용한다. 특히 자기적 특성을 이용해 스핀이 시계 방향으로 돌면 ‘0’, 반시계방향으로 돌면 ‘1’로 인식하는 방식은 발열이 획기적으로 줄인다. 이를 통해 전기도 덜 쓰면서 속도는 빠른 반도체를 만들 수 있고, 발열 현상까지 자연스럽게 줄어들 수 있는 효과가 있다. (kist스핀융합연구단)
이렇게 반도체의 크기가 작아져도 발열 현상이 생기지 않는다면, 그 활용범위는 지금보다 훨씬 넓어질 것이다. 예를 들어 공상과학 영화에 나올법한 옷 안에 넣고 다니는 컴퓨터, 옷처럼 입고 다니는 스마트폰 등이 현실에 등장할 수 있다. 즉, 웨어러블의 범용화가 가능하다는 것이다. 우리가 쓰는 스마트폰을 입는다고 생각해보자. 상상만으로 즐겁지 아니한가. 이렇게 좋은 소자가 왜 아직도 실용화되지 않았을까?
한국과학기술연구원(KIST)은 전에 스핀트로닉스 소자를 개발했다고 보고한 바 있다. 다만 당시 만든 스핀트로닉스 소자는 전자의 방향을 조절하기 위해 아주 낮은 온도에서만 활용이 가능하였고 이 때문에 실용성에 문제를 가지고 있었다. 최근에는 스커미온을 통해 AI반도체 기술을 만드는 것에 성공했다. 2020년도 3월에 KIST가 만든 스핀트로닉스를 활용한 AI반도체 기술이 그것이다. AI반도체 기술이란 인간의 뇌와 비슷한 성질을 구사하는 뉴로모픽 컴퓨팅 소자를 활용한 반도체이다. 즉, 인간의 뇌가 뉴런과 시냅스로 정보전달을 하듯 뉴로모픽 컴퓨팅소자도 뉴런소자와 시냅스 소자를 활용하여 정보전달을 한다는 것으로 이를 통해 AI반복 학습에 필요한 전력을 10배 절약 시키는 결과를 만든 것이다. (kist스핀융합연구단)
앞으로의 일자리가 줄어들 만큼 우리 청소년들도 어떠한 직업이 생겨날지를 알아야한다. 그렇기에 이 칼럼을 통해 이공계 학생들이 앞으로 어떠한 것을 연구하고 배워야할지 알려주고 싶어 연재를 한다.
# 이 글은 반도체 기술 개발과 관련한 과학 정보를 시리즈로 연재하는 첫 번째 글입니다.
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