KAIST, 나노 강유전체의 3차원 내부 분극구조 최초 규명
저장성능 1만 배 이상 고밀도 메모리소자 개발 가능성 열어
기사승인 2024-05-30 16:05:16
전자기기에 사용하는 DRAM은 전원이 차단되면 기록이 사라지는 휘발성 메모리다. 또 낸드플래시 메모리는 동작속도가 상대적으로 느린 것이 단점이다.
이에 대안으로 제시되는 강유전체 메모리는 외부 전기장 없이 자발적으로 분극을 유지할 수 있어 전원이 차단돼도 정보가 사라지지 않을 뿐만 아니라 속도도 매우 빠르다.
그러나 문제는 강유전체의 크기가 일정 수준 이상으로 작아지면 분극을 유지하기 어려워져 미세공정에 한계가 따른다는 것.
이에 대해 강유전체 내부에서 발생하는 특이 형태의 소용돌이 분포를 제어할 수 있으면 기존보다 1만 배 이상의 직접도 달성이 가능하다는 이론을 20년 전 미국 로랑 벨라이쉬 교수가 제시하며 학계의 주목을 받았다.
이후 강유전체를 모든 방향에서 나노 크기 0차원 구조로 만들면 어떤 현상이 관측될지가 오랜 기간 논란거리였다.
강유전체 3차원 소용돌이 난제 풀다
KAIST 물리학과 양용수 교수 연구팀이 나노 강유전체 내부의 3차원 소용돌이 형태 분극 분포를 세계 최초로 실험적으로 규명했다.
원자분해능 전자토모그래피를 통해 규명된 바륨-티타늄 산화물 나노입자의 3차원 분극분포. (왼쪽) 투과전자현미경 내부에서 샘플을 여러 각도로 측정하고 원자구조를 3차원으로 재구성하는 전자토모그래피 기술 모식도. (가운데) 전자토모그래피를 통해 실험적으로 규명된 바륨-티타늄 나노입자 내부 3차원 분극분포도, 하단부 파란 원에 소용돌이 형태 구조를 볼 수 잇다. KAIST 연구팀은 다양한 각도에서 획득한 투과전자현미경 이미지를 3차원 형태로 재구성하는 방식으로 원자분해능 전자토모그래피 기술을 개발해 적용했다.
이 방법으로 강유전체인 ‘바륨-티타늄 산화물’ 나노입자의 원자 위치를 3차원적으로 완벽히 측정하고, 내부 분극 분포를 단일 원자단위로 규명하는데 성공했다.
분석 결과 20년 전 이론적으로 예측했던 강유전체 내부 소용돌이를 비롯한 다양한 위상학적 분극 분포가 발생하고, 강유전체 크기에 따라 소용돌이의 개수를 제어할 수 있음을 확인했다. 아울러 실험에서 얻은 소용돌이 분포 결과가 이론적 계산으로 설명할 수 있음을 증명했다.
특히 이번 연구는 해당 이론은 최초 제시한 벨라이쉬 교수와 국제공동연구를 얻은 결과여서 그 의미가 더욱 크다.
연구팀이 개발한 원자분해능 전자토모그래피 기반 분극분포 계산법을 다양한 나노구조 강유전체 시스템에 적용하면 구조 및 물질 기능성에 대한 깊이 있는 분석이 가능하고, 나노구조의 크기와 형태, 표면경계조건을 조절해 위상학적 분극 구조와 전이현상을 실험적으로 측정할 수 있다.
이는 미래형 고성능 메모리소자 개발에 결정적 역할을 할뿐만 아니라 강유전체 나노기술의 새로운 패러다임을 제시할 것으로 기대된다.
양 교수는 “이번 연구결과는 주변 환경과 무관하게 강유전체 크기와 형태를 조절하는 것만으로 강유전성 소용돌이를 제어할 수 있음을 보여준 것”이라며 “분극 분포 소용돌이의 개수 및 회전 방향을 조절함으로써 차세대 고밀도 메모리소자 기술로 발전시킬 수 있을 것”이라고 설명했다.
한편 이번 연구는 KAIST 물리학과 정채화 석박사통합과정 학생이 제1저자로 참여했고, 한국기초과학지원연구원, 포항공과대, 서울대, 미국 로런스버클리연구소, 아칸소대 연구진 등 국제협력연구로 진행됐다. 연구결과는 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 5월 8일자에 게재됐다.
