'0차원 공허'에서 고효율 다진법 메모리 개발 기술 찾았다

저항 변화가 아닌 유전율(Permittivity)을 이용해 정보를 저장하는 기술이 개발됐다. 에너지 효율이 높은 다진법 메모리 소자 개발에 활용될 수 있으리란 기대다.

UNIST(총장 이용훈)는 물리학과 오윤석 교수팀이 울산대학교 물리학과 김태헌 교수팀과 공동으로 텅 비어 있는 공간, 즉 '0차원 공허'와 '물질' 사이의 상호작용이 물질의 유전율 크기를 변화시킬 수 있음을 발견했다고 19일 밝혔다.

또 이런 상호작용을 제어해 유전율이 각기 다른 다중 상태로 제어되는 새로운 메모리 기술을 개발했다.

유전율은 전기장의 영향을 받아 분극이 일어난 정도를 뜻한다. 전기가 안 통하는 물질이라도 전기장에 두면 물질 내부에 무질서하게 놓여있던 전기쌍극자가 정렬한다. 유전율은 그 반응 정도가 얼마나 민감한지 나타내며, 물질과 공간의 고유한 특성이다.

세계 최초로 개발한 바륨지르코늄 산화물 단결정의 단면 (자료=UNIST)

연구팀은 새로운 강유전체 박막을 개발해 0차원 공허를 만들었다. 강유전체는 외부 전기장 없이도 스스로 분극을 가지는 재료인데, 외부 전기장에 의해 분극 방향이 바뀔 수 있다.

새로운 강유전체 박막은 오윤석 교수팀이 개발한 새로운 웨이퍼 소재인 바륨지르코늄 산화물(BaZrO₃) 단결정 위에 김태헌 교수팀이 티탄산바륨(BaTiO₃) 박막을 증착해 만들었다.

오 교수 연구팀이 새로 개발한 바륨지르코늄 산화물의 격자상수(格子常數, lattice constant)는 4.189Å으로 기존 웨이퍼보다 훨씬 크다. 격자상수는 원자들이 이루고 있는 기본 구조의 크기를 나타내는 지표다. 똑같은 형태와 구조의 분자가 모여있는 결정 안의 원자 간 가로, 세로, 높이와 같은 간격을 말한다.

기판의 격자상수 값이 크면 그 위에 형성되는 물질에 사방에서 균일하게 잡아당기는 힘이 가해진다. 물질 본래의 격자상수가 아니라 기판의 격자상수에 맞춰 물질이 성장하는 것이다.

바륨지르코늄 산화물은 격자상수가 커 이런 현상이 잘 일어난다. 티탄산바륨은 격자지수가 바륨지르코늄보다 작기 때문에, 바륨지르코늄 산화물 위에서 성장한 티탄산바륨은 사방에서 잡아당기는 힘을 받는다. 이 과정에서 산소 원자가 하나 빠지면서 박막에 0차원 공허, 즉 텅 비어 있는 공간을 만든다.

산소 빈자리로 만들어진 0차원 공허 주변의 결정구조 변형 (자료=UNIST)

이렇게 형성된 0차원 공허와 주변 원자들 사이의 상호작용은 박막 소재의 유전율 크기를 바꾼다. 이를테면 최초의 상태가 하나의 값이 되고, 전기장을 가해 분극이 생기면서 달라진 유전율이 또 다른 상태값이 될 수 있다. 전기장의 방향을 달리하면 분극 방향이 뒤집히면서 또 다른 유전율 상태가 될 수 있다.

이렇게 3가지 상태만 조합해도 0과 1을 이용한느 이진법 메모리보다 정보 저장량이 높은 다진법 메모리를 만들 수 있다고 연구진은 설명했다. 0차원 공허 주변에만 형성된 양자 스핀은 양자 정보로도 활용될 수 있다.

변화하는 유전율을 메모리 정보에 사용하면 저항 변화를 이용하는 기존 반도체 메모리보다 에너지 효율이 높고 발열이 없는 메모리 소자를 만들 수 있다.

기존 반도체 소자는 전기를 흘려 변하는 저항을 이용한다. 전기를 흘리는 과정에서 에너지 소모가 크고, 열도 발생한다. 반면, 유전체 소자는 전기가 통하지 않고 대신 유전율 상태를 활용하는 방식이라 에너지 효율이 높고 열도 나지 않는다. 전기를 이용하지 않고 유전율이라는 고유 특성으로 정보를 저장하는 메모리를 만들 수 있어 전원이 꺼져도 정보가 남는 비휘발성을 갖는다.