KAIST, 물리학 20년 난제 풀어…"기존 메모리 1만배 늘릴 수 있다"

물리학의 20년 난제가 풀렸다. 이로인해 기존대비 1만 배 이상의 고밀도 메모리 소자 개발이 가능해졌다.

KAIST는 POSTECH, 서울대, 한국기초과학지원연구원, 미국 로렌스 버클리국립연구소 및 아칸소대 등과 공동으로 나노 강유전체의 3차원적 내부 분극 구조를 규명했다고 30일 밝혔다.

원자분해능 전자토모그래피를 통해 규명된 바륨티타늄 산화물 나노입자의 3차원 분극분포.

나노 강유전체 분극 구조는 20년 전 로랑 벨라이쉬 (Laurent Bellaiche) 교수(현 미국 아칸소대 물리학과 교수)가 이론적으로만 예측했던 난제였다.

이 이론은 외부 전기장 없이도 분극 상태를 유지하는 강유전체(ferroelectric)를 아주 작은 나노 크기(이를 0차원이라 부름)로 쪼갰을 때, 이 내부에 소용돌이 형태의 분극 분포가 발생할 수 있다는 이론이다.

만약 이 소용돌이 분포가 발생하고, 이를 제어하면 기존 대비 1만 배 이상의 초고밀도 메모리 소자로 응용이 가능할 것이라는 예측을 내놔 당시 학계의 이목을 끌었다.

연구를 주도한 KAIST 양용수 물리학과 교수는 "강자성체(자석)는 나노 크기로 작게 만들면 일정 이하 크기에서는 자석 성질을 잃어버린다는 것이 잘 알려져 있다"며 "반면, 강유전체를 모든 방향에서 아주 작게 나노 크기로 만들면(즉, 0차원 구조를 만들면) 어떤 현상이 발생하는 지는 오랜 기간 논란 거리였다"고 말했다.

연구팀은 인체 내부 장기들을 3차원적으로 보기 위해 병원에서 CT 촬영을 하는 것과 동일한 방식으로 투과전자현미경을 이용해 나노입자 이미지를 획득하고, 이를 3차원으로 재구성하는 방식의 원자 분해능 전자토모그래피 기술을 새로 개발했다.

연구팀은 이 기술로 강유전체인 바륨-티타늄 산화물(BaTiO3) 나노입자 내부 원자 위치를 3차원적으로 측정했다. 또 내부의 3차원적 분극 분포도 단일 원자 단위로 확인했다.

분극 분포 분석 결과, 연구팀은 20년 전 이론적으로 예측됐던 대로 강유전체 내부에 소용돌이를 비롯한 다양한 위상학적 분극 분포가 발생하고, 강유전체의 크기에 따라 내부 소용돌이의 개수 또한 제어할 수 있다는 사실을 처음으로 실험적으로 밝혀냈다.

KAIST 물리학과 양용수 교수와 정채화 박사과정 연구원(논문 제1저자).(사진=KAIST)

KAIST 연구팀은 이 결과를 바탕으로 20년 전 해당 소용돌이 분극 이론을 처음 제시했던 벨라이쉬(Bellaiche) 교수와 국제공동연구를 수행했다.

연구팀은 실험에서 얻은 소용돌이 분포 결과가 이론적인 계산으로도 잘 설명된다는 것을 추가로 증명했다.

양용수 교수는 "이번 연구 결과는 기판의 유,무나 주변 환경에 무관하게 강유전체 크기와 형태를 적절히 조절하는 것만으로도 나노 크기에서 강유전성 소용돌이를 제어할 수 있다는 것을 시사한다"며 "분극 분포 소용돌이의 개수 및 회전 방향을 조절해 기존보다 약 1만 배 이상 많은 양의 정보를 같은 크기의 소자에 저장할 수 있는 차세대 고밀도 메모리 소자 기술로 발전시킬 수 있을 것"으로 기대했다.