나노기술 및 정책 정보

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1. PRAM은 DRAM의 capacitor를 GST 물질로 치환한 구조로 비휘발성인 차세대 메모리

 기존 메모리 소자(DRAM, Flash)의 휘발성과 집적한계등을 극복하기 위한 차세대 메모리로써 PRAM(Phase change RAM), ReRAM(Resistance RAM), STTRAM(Spin Transfer Torque RAM) 등이 현재 유력한 후보로 주목받고 있다.

 이 중 PRAM은 DRAM과 구조와 생산공정이 유사할 뿐만 아니라 재료물질인 GST(GeSbTe)가 물리적특성이 잘 알려져 있고 DVD 디스크 등에 이미 안정적으로 사용되고 있어 연구가 활발히 진행되어온 소자이다. 최근에는 차세대 메모리 중에서 처음으로 대규모 양산이 시작된 제품이다.
 PRAM은 DRAM과 거의 동일한 구조를 갖고 있으며 DRAM의 capacitor자리를 GST 물질로 치환한 구조라서 집적도를 높이거나 DRAM 생산시설을 PRAM으로 대체하는데 상대적으로 용이하다.

 PRAM은 상변화 물질인 칼코게나이드계 합금인 GST를 사용하여 정보를 저장하는 매체로써, 단위소자의 동작원리는 다음과 같다. GST 합금막에 전압을 인가하여 Joule heating을 가하게 되면 GST물질의상(Phase)이 비정질에서 결정질로(혹은 그 반대) 바뀌게 된다.  이때 전기저항이 높은 상태에서 낮은 상태로 바뀌게되는데 이 두 전기적 상태를 전기신호 1과 0으로 변환하여회로 내에서 동작하게 된다. 이런 상변화(비정질↔ 결정질) 과정에서 전기저항이 달라지는 점을 이용한 것이 PRAM이다. GST의 결정 상태는 외부전압이 인가되기 전까지 변하지 않기 때문에 DRAM과 달리 전원 공급이 사라져도 정보가 지워지지 않는다. 이때문에 PRAM은 비휘발성 메모리로 분류된다. PRAM의 단위소자 단면도를 보면 옅은 연두색으로 표시된 부분이 결정질(Polycrystalline) GST이고, 분홍색으로 표시된 부분이 비정질(Amorphous) GST이다. PRAM 소자 단면도에서 보면 cell은“1”을 다른 한 cell은“0”을 기록한 상태를 그림으로 표현한 예이다.
 PRAM은 cell size, 집적도와 Write/Erase 속도 면에서 DRAM과 거의 같은 특성을 보여주고 있으며 NOR Flash와 비교해보면 집적도면에서 우수하고 Write/Erase 속도가 빠르며 신뢰성면에서도 우수하다.
 PRAM은 cell size, 집적도와 Write/Erase 속도 면에서 DRAM과 거의 같은 특성을 보여주고 있으며 신뢰성은 DRAM보다 열위에 있다. PRAM을 NOR Flash와 비교해보면 집적도면에서 우수하고 Write/Erase 속도가 빠르며 신뢰성면에서도 우수하다는 것을 알 수 있다.

2. PRAM 시장은 2010년도 0.1억 달러에서 2013년경에는 5.5억 달러 규모로 급격 성장

 PRAM 시장은 아직 초기 단계에 불과하다. 제품 수준의 PRAM은 이미 개발·완료되었으나 대규모의 양산은 최근에야 이루어졌다. 삼성전자는 휴대전화용으로 512Mb용량의PRAM을 양산하기 시작했으며 이 제품들은 모바일기기에서 운영체제 등 펌웨어와 데이터 저장용으로 현재 사용되고있는데 Ut(Uni Transistor)램과 함께 적층하는 MCP 형태라고
밝히고 있다.

 PRAM 시장은, 전체 반도체 시장규모에 비하면 미미하여 2008년 800만 달러에 불과하나 2010년 0.1억 달러, 2011년 1.2억 달러, 2012년 3.5억 달러 그리고 2013년에는 5.5억달러에 이를 것으로 예상된다. PRAM & NOR Flash 시장규모 전망에 기초하여 산출한 PRAM 시장의 연평균 예상성장률은 549%로써 매우 빠른 성장세를 예고하고 있다. 반면 모바일 기기용 NOR Flash 메모리 시장은 2010년 22억 달러에서 2013년 16억 달러로 급격히 하락할 것으로 예상되고 있다.

 전체시장 규모는 동일하게 유지되지만 PRAM과 NOR Flash의 시장규모추이는 서로 상반된 전망인데 이는 PRAM이 특히 모바일제품에서 사용되는 NOR Flash 시장의 상당 부분을 잠식할 것으로 예상되기 때문이다. 더 나아가 생산성과 경쟁력 면에서 PRAM이 NAND 수준에 도달할 것이라고 가정한다면 PRAM 시장의 성장 가능성은 상당히 높다고 할 수 있다. 참고로 2011년 NAND 시장규모는 166억 달러로 예상된다. PRAM 시장의 본격적인 성장으로 PRAM의 핵심 물질인 GST생산업체나 GST 공정과 관련된 장비업체도 동반 성장할 것으로 예상된다.
 PRAM 시장이 본격적으로 성장하게 되면 삼성전자나 하이닉스 같은 대규모 반도체 양산업체 뿐만 아니라 PRAM의 핵심 물질인 GST생산업체나 GST 공정과 관련된 장비업체도
동반 성장할 것으로 예상된다. 예를 들어 국산 장비업체 큐로스는 산업자원부 연구과제로 PRAM용 GST 증착용 ALD 장비를 소로나, 에어프로덕츠 등과 함께 수행하고 있으며 반도체 재료업체인 디엔에프는 GST 재료를 개발해 납품하고 있는 것으로 알려졌다.
 상변화 물질은 크게 3원계(Ge-Sb-Te)와 4원계(Ag-In-Sb-Te) 소재로 분류되는데 3원계물질은 마쓰시타, 아사이화학이 특허를 보유하고 있으며, 4원계 물질은 Ricoh와 TDK가 특허를 보유하고 있다. 따라서 PRAM 시장이 커질경우 지불하게 되는 로열티도 증가할 가능성이 크기 때문에 국내 PRAM 업체의 독립성과 경제성을 확보하기 위해서는 PRAM 신물질 개발이 지속적으로 이루어져야 한다.

3. PRAM 선도기업은 뉴모닉스, 삼성전자가 있으며 삼성전자는 2010년에 65나노공정을 통해 512Mb 용량의 PRAM을 MCP용으로 양산 시작

 PRAM과 관련된 원천기술 특허는 대부분 오보닉스社가 보유하고 있으나 오보닉스는 실제 제품을 생산하지 않고 기술제휴형태로 시장에 참여하고 있어서 실제 PRAM 개발 및 양산에 앞서 있는 기업은 인텔, 뉴모닉스와 삼성전자이다.

 2001년 인텔이 4Mb PRAM 제품을 개발한 이후 2000년대 중반에 이르러 뉴모닉스가 128Mb, 삼성이 256Mb, 512Mb PRAM 개발을 완료하였다. 그러나 시장형성은 뉴모닉스가 2008년에 90나노공정을 통한 128Mb 제품공급을 시작하고 삼성전자가 2010년에 65나노공정을 사용해 512Mb 제품을 양산하면서 시작되었다.
 개발 완료시점과 양산시점이 차이가 나는 것은 기술적인 이유 이외의 시장 상황에 의한 것이라 판단된다. 시장 형성초기에 PRAM은 기존의 NOR Flash를 대체할 것으로 예상되었으나 NOR Flash 공정기술이 향상됨에 따라 집적도가 상승되고 가격이 하락하게 되면서 시장잠식이 어려웠다.반면 2010년에 삼성전자가 본격적인 PRAM 양산을 시작했다는 점은 PRAM 제품이 경제적으로 NOR Flash를 대체할수 있는 수준에 도달했고 PRAM 시장의 선점이 필요한 시기가 도래했다고 해석될 수 있을 것이다. 현재 경쟁 상황을 보면 삼성전자와 뉴모닉스가 앞서있고 그 뒤를 하이닉스가 추격하면서 경쟁하는 구도이다.

 삼성이 먼저 512Mb 제품을 양산하였고(2010년 4월), 1Gb 제품 개발을 완료한 뉴모닉스가 그 뒤를 따를 것으로 예상된다. 하이닉스는 후발주자로서 독자적인 기술개발보다 미국 오보닉스사의 기술을 기반으로 개발을 시작했으며 현재 512Mb 제품을 개발 중인 것으로 추정된다. 현재 PRAM 제품을 생산하는 업체는 삼성전자와 뉴모닉스에 한정되어 있으며, 시장규모도 크지 않아 정확한 점유율은 아직 알려지지 않고 있다.
 PRAM의 초기 시장이 NOR Flash memory를 대체할것으로 예상되기 때문에 NOR Flash 시장 상황을 통해 PRAM 시장을 간접적으로 예측할 수 있다. 2009년 기준NOR Flash 시장은 분기당 12억 달러 수준, 연간 40억 달러에 이른다.

 이 시장을 뉴모닉스(36%), 스팬션(25%), 삼성전자(13%)가 삼분하고 있는데 PRAM 이 NOR Flash 제품을 본격적으로 대체하게 된다면 스팬션이 차지하고 있는 비중을 뉴모닉스와 삼성전자가 양분할 것으로 예측되며 이는 하이닉스의 약진에 따라 달라질 수 있다.
 모바일 휴대폰에 사용되는 MCP 영역에서 PRAM은 NOR Flash와 경쟁 관계를 형성, PRAM이 활용될 수 있는 제품영역은 MP3플레이어, 네비게이션, SSD 그리고 HDTV등으로 확대될 전망이다. 한편 초기 시장 진입시 모바일 제품의 MCP에 사용되는 SRAM+NOR Flash 혹은 SRAM+ DRAM+NOR Flash 조합을 PRAM으로 대체할 수 있을 것으로 기대되는데 이는 모바일기기 제조회사의 사용 정책에 영향을 받을 수 있는 부분이다.
 세계 1위의 모바일 기기 업체인 NOKIA의 PRAM 사용 계획을보면 2010년 시제품 적용을 시작하여 2013년에 본격적으로 PRAM을 채용한 모바일 제품을 시장에 내놓을 예정이며 이는 PRAM 시장 형성에 긍정적인 영향을 미칠 것으로 예상된다.

 고용량, 고기능의 PRAM 제품이 본격적으로 출시된다면 PRAM의 활용영역은 모바일기기에서 MP3 플레이어, 휴대용멀티미디어 장치, 네비게이션, 자동차용 메모리, SSD 그리고 HDTV 등으로 적용범위를 확대할 것으로 예상된다.