[더테크=조재호 기자] 카이스트를 비롯한 공동연구진이 기존보다 1만배 이상 높은 집적도를 달성할 수 있는 차세대 초고밀도 메모리 소자 제어 기술의 발전방안을 제시했다.

카이스트는 양용수 물리학과 교수 연구팀과 포항공과대학교, 서울대학교, 한국기초과학지원연구원과의 공동연구 및 미국 로런스 버클리 국립연구소, 아칸소대학교 연구진과의 국제협력 연구를 통해 나노 강유전체 내부의 3차원 소용돌이 형태의 분극 분포를 실험적으로 규명했다고 30일 밝혔다.

영구자석처럼 외부의 자기장이 없이 자화 상태를 유지하는 물질을 강자성체라 하는데 비슷하게 외부에 전기장 없이 분극 상태를 유지하는 물질을 ‘강유전체(ferroelectric)’라고 한다.

강자성체는 나노 크기까지 작아지면 자성을 잃어버린다. 반면 강유전체를 모든 방향에서 나노 크기로 만들면 어떤 현상이 발생하는지는 오랜 기간 논란거리였다.

양용수 교수 연구팀은 전자현미경을 통해 다양한 각도에서 이미지를 획득하고 재구성 알고리즘을 통해 3차원으로 재구성해 원자 분해능 전자토모그래피 기술을 개발하고 응용했다.

이를 통해 연구팀은 강유전체인 바륨-티타늄 산화물의 나노입자 내부 원자들의 위치를 3차원적으로 측정하고 내부의 분극 분포를 단일 원자 단위로 규명했다.

그 결과에 따라 20년전 이론적으로 예측됐던 강유전체 내부에 소용돌이를 비롯한 다양한 위상학적 분극 분포가 발생하고 크기에 따라 내부 소용돌이의 개수 또한 제어할 수 있다는 사실을 최초로 밝혀냈다.

카이스트 연구팀은 이 결과를 바탕으로 20년 전 해당 소용돌이 분극 이론을 최초로 제시했던 벨라이쉬 교수와 국제공동연구를 진행했고 실험으로 얻은 소용돌이 분포 결과가 이론적인 계산으로도 설명되는 것을 추가로 증명했다.

이번 연구로 개발된 원자분해능 전장토모그래피 기반의 분극분포 계산법은 나노구조 강유전체 시스템에 적용되면 강유전체 나노기술의 새로운 패러다임을 제시할 것으로 보인다. 또한 미래 고성능 메모리 소자 개발에 결정적인 역할을 할 것으로도 기대된다.

양용수 교수는 “이번 결과는 기판의 유·무나 주변 환경에 무관하게 강유전체 크기와 형태를 조절하는 것만으로도 나노 크기에서 강유전성 소용돌이를 제어할 수 있음을 시사했다”며 “분극 분포 소용돌이의 개수 및 회전 방향을 조절함으로 기존보다 약 1만배 이상 많은 정보를 같은 크기의 소자에 저장할 수 있는 차세대 고밀도 메모리 소자 기술로 발전시킬 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’에 지난 5월 8일자로 게재됐다.