'차세대 메모리 소재 핵심 열쇠' 도메인벽 형성 원리 밝혔다

[울산=뉴시스] 구미현 기자 = 차세대 메모리 소재로 주목받는 산화하프늄에서 도메인 경계가 적은 에너지로도 안정적으로 형성되는 원리가 밝혀졌다.

메모리 내부의 정보 저장 영역을 더 작고 촘촘하게 배치할 수 있는 원리로 고집적 메모리 개발에 도움이 될 것으로 기대된다.

울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 이준희 교수팀은 POSTECH 최시영 교수팀과 함께 강유전체 산화하프늄에서 원자 수준으로 얇은 도메인 경계가 형성되는 원리를 규명하고 이를 전자현미경으로 확인했다고 28일 밝혔다.

도메인은 소재 내부에서 전기적 극성의 방향이 같은 영역을 말한다. 강유전체는 전기장을 가하면 극성 방향을 바꿀 수 있고 전기장을 제거한 뒤에도 바뀐 상태를 유지한다. 서로 다른 극성 방향을 정보의 0과 1로 활용할 수 있어 전원이 꺼져도 정보가 유지되는 비휘발성 메모리 소재로 주목받고 있다.

이번 연구의 핵심은 산화하프늄에서 나타나는 '포논 쌍 응축' 현상이다. 포논은 고체를 이루는 원자들이 집단적으로 진동하는 현상이며 포논 모드는 이러한 진동이 나타나는 특정한 방식이다.

일반적인 강유전체에서는 서로 반대 방향의 극성을 가진 두 도메인 사이에 경계가 형성될 때 극성을 유지하는 진동 모드가 약해지거나 사라진다. 이 과정에서 결정 구조가 불안정해져 경계를 형성하는 데 추가적인 에너지가 필요하다.

반면 산화하프늄에서는 하나의 포논 모드가 약해질 때 같은 포논 밴드의 반대편에 있는 다른 모드가 나타나 이를 보완한다. 두 모드가 서로 역할을 나누면서 도메인 경계에서도 안정적인 결정 구조를 유지할 수 있다는 것이 연구팀의 설명이다.

이러한 상호 보완 작용 덕분에 산화하프늄은 도메인 경계를 형성하는 데 필요한 에너지를 크게 줄일 수 있다. 원자 수준으로 폭이 좁은 경계도 안정적으로 형성할 수 있어 도메인 사이의 간격을 줄이는 데 유리하다.

연구팀은 이 원리를 실험으로도 검증했다. POSTECH 연구진은 원자 수준의 구조를 관찰할 수 있는 전자현미경(ABF-STEM)을 활용해 산화하프늄 내부 도메인 경계의 산소 원자 배열을 직접 확인했다. 관찰된 산소 원자의 위치 변화와 이동 거리는 이론 계산으로 예측한 결과와 잘 일치했다.

이준희 교수는 "산화하프늄은 매우 얇은 박막에서도 강유전성을 유지할 수 있고 기존 반도체 공정과도 잘 맞아 새로운 메모리 소재로 주목받고 있다"며 "이번에 밝힌 원리를 활용하면 도메인 벽 사이의 간격을 줄이면서도 안정적인 강유전 상태를 유지할 수 있어 차세대 메모리의 집적도를 높이는 데 도움이 될 것"이라고 말했다.

이번 연구에는 UNIST 이현재 박사와 파완 쿠마르(Pawan Kumar) 박사가 공동 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 미국물리학회가 발행하는 국제학술지 'Physical Review X'에 지난 8월 18일 게재됐다.

연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단 및 산업통상부와 한국산업기술진흥원 등의 지원을 받아 수행됐다.


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