성능의 한계를 보이는 기존 메모리 반도체를 대체할 차세대 메모리의 중요한 요소인 강유전체(强誘電體, Ferroelectric)의 새로운 형태가 세계 최초로 개발됐다.

오윤석(37) UNIST(총장 조무제) 자연과학부 교수(당시 럿거스 대 박사 후 연구원)와 美 럿거스(Rutgers) 대 정상욱(58) 교수 공동 연구팀은 외부 전압을 가했을 때 양극과 음극의 배열이 수평으로 바뀌는 강유전체를 최초로 개발했다.

강유전체는 전기가 통하지 않는 절연체지만 내부에 양극과 음극의 전기분극을 지니고 있다. 강유전체에 외부 전압이 가해지면 분극 배열이 뒤집혀 동일한 극성 간의 경계면을 따라 전기가 흐르는 분극 현상이 발생한다.

강유전체는 외부 전압이 가해진 후 전압이 없어도 분극 상태를 유지할 수 있다. 때문에 전원을 꺼도 정보를 잃지 않는 정보저장 소자나 한 번 충전으로 하루 종일 쓸 수 있는 노트북 전지 개발에 활용될 것으로 기대 받고 있다.

오 교수 공동 연구팀은 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 타이타늄(Ti), 산소(O)를 격자 형태로 규칙적으로 배열한 새로운 강유전체를 개발했다. 일반적으로 강유전체의 분극 현상은 수직 방향의 변형으로 양극과 음극이 수직 방향으로 바뀌는 데 반해 공동 연구팀이 개발한 강유전체는 내부 분자 구조의 회전을 통해 수평 방향으로 분극 현상이 일어난다.

수평 방향으로 분극이 발생하면 동일한 극성들이 이루는 나노미터보다 좁은 경계면을 따라 전기가 흐를 수 있다. 이에 따라 보다 좁은 폭의 소자 회로를 개발해 메모리 반도체의 성능 향상에 기여할 수 있다.

오 교수는 “외부 전압을 통해 고체의 분자 구조 회전을 조절할 수 있다면, 물질의 구조로부터 발생하는 특성인 자성이나 전도성을 조절할 수 있는 ‘꿈의 물질’도 개발 가능하다”고 말했다.

이번 연구결과는 ‘네이처(Nature)’ 자매지인 ‘네이처 머티리얼스(Nature Materials)’에 13일(화) 게재됐다. ‘네이처 머티리얼스’는 최근 5년 간 ‘논문피인용지수(Impact Factor)’에서 본지인 ‘네이처’보다 높은 평가를 받는 재료과학 분야 학술지다. <끝>