삼성전자가 업계 최초로 양산한 쿼드레벨셀(QLC) 9세대 V낸드. 삼성전자 제공


D램의 속도와 낸드플래시의 비휘발성을 동시에 갖춘 ‘꿈의 소자’ 강유전체가 차세대 인공지능(AI) 반도체의 승부처로 부상했다. 삼성전자와 SK하이닉스가 특허 출원량과 기술 고도화에서 압도적 1위를 기록하며 반도체 패권 경쟁의 전선을 ‘물리적 한계 극복’ 영역으로 확장하고 있다. 전문가들은 첨단 미세공정과 소재 과학의 결집체인 강유전체 분야가 중국의 추격을 따돌릴 난공불락 요새가 될 가능성에 주목하고 있다.
" 릴게임뜻 D램·낸드 장점 모두 합친 차세대 메모리 소자"
지식재산처는 2012~2023년 한국, 미국, 중국, 유럽연합(EU), 일본 등 선진 5개 지식재산기관(IP5)에 출원된 강유전체 소자 분야 특허를 분석한 결과 한국의 출원 비중이 43.1%(395건)로 가장 높았다고 18일 밝혔다. 연평균 증가율 역시 18.7%로 조사 대상국 가운데 1위를 오션파라다이스사이트 기록했다. 미국(28.4%), 일본(18.5%), 중국(4.6%), EU(4.1%) 순으로 뒤를 이었다.
강유전체는 아직 대규모 상용화 단계에 이르지는 않았지만, 차세대 저장 소자로 주목받고 있다. 전원이 꺼져도 분극(polarization) 상태를 유지할 수 있기 때문이다. 분극은 물질 내부 전하가 한쪽으로 치우치며 극성을 띠는 상태를 바다이야기고래출현 의미한다. 이 덕분에 강유전체는 전원이 꺼진 뒤에도 정보가 유지되는 비휘발성 특성을 갖는다.
이를 반도체 소자에 적용한 것이 강유전체램(FeRAM)이다. FeRAM은 기존 양대 메모리 기술인 D램과 낸드플래시와 달리 고전압 구동이 필요 없고, D램 수준의 빠른 처리 속도와 플래시메모리의 비휘발성을 동시에 구현할 수 있는 차세대 메모리로 바다이야기2 평가받는다. 반도체업계 관계자는 “AI 서버가 거대한 전력 블랙홀이 되면서 업계가 와트당 성능에 사활을 걸고 있다”고 설명했다.
중국 못 따라오게 ‘난공불락’ 표준으로 만들어야
강유전체 분야는 아직 중국의 추격을 허용하지 않은 미래 기술이다. 주요 출원인 분석에서 이 같은 현상을 확인할 수 있다. 삼성전자가 전체 출원의 릴게임종류 27.8%(255건)를 차지해 1위에 올랐고 인텔, SK하이닉스, TSMC가 뒤를 이었다. 최근 3년 기준으로는 삼성전자와 SK하이닉스가 나란히 1·2위를 기록했다. 상위 10위권에 중국 기업은 한 곳도 포함되지 않아 강유전체 소자 분야에서 한국이 중국을 크게 앞선 것으로 분석됐다.
전문가들은 고대역폭메모리(HBM)에 이어 FeRAM의 표준을 선점하기 위한 각국의 경쟁이 치열할 것으로 전망한다. 최우영 서울대 전기정보공학부 교수는 “D램 같은 반도체 메모리 산업은 일단 국제 표준이 생기면 이를 기준으로 가장 효율적으로 대량 생산할 수 있는 기업이 시장을 선도해 왔다”고 했다. SK하이닉스는 2024년 중국에 '강유전체 메모리 소자 및 강유전체 메모리 소자 제조 방법'에 관한 특허를 출원하기도 했다.
이와 관련해 삼성전자는 낸드플래시 전력 소모를 줄일 수 있는 강유전체 트랜지스터(FeFET) 기술을 지난해 12월 국제 학술지 네이처에 발표하며 기술 경쟁력을 입증했다. 삼성전자 연구진은 강유전체와 산화물 반도체를 결합한 새로운 낸드플래시 구조를 통해 적층 수가 늘어날수록 전력 소모가 폭증하는 기존 낸드의 한계를 극복하는 데 성공했다. 독일 반도체 기업 인피니언은 지난해 FeRAM을 적용한 우주·방사선 내성 메모리 제품 라인업을 공개해 특수 환경용 고신뢰 메모리 시장 공략에 나섰다.
최영총 기자 youngchoi@hankyung.com