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향후 전자 이동 속도 크게 개선할 수 있는 강유전성 전환 현상 규명
미래 초고속 소자에 응용 가능한 강유전성 스위칭 현상 규명[이데일리 이연호 기자] GIST는 신소재공학부 조지영 교수 연구팀이 강유전체 박막 층 내 강탄성(ferroelastic) 구역의 쌍극자 방향이 수 나노 초(nano second·10억 분의 1초) 내에 바뀜을 관측하는데 성공했다.

강유전성을 발휘하는 결정상 회절 패턴의 시간에 따른 변화. Time=0에 전기장 인가를 시작했고 약 30ns 동안 전기장이 가해졌다. (b)시간에 따른 다양한 강유전 및 강탄성 결정상의 변화. 그래픽=GIST.

이번 연구성과로 비휘발성 컴퓨터 램메모리 등 강유전체 소재 기반의 기가헤르츠 전자소자 개발 연구의 활성화에 크게 기여할 것으로 기대된다.

강유전체는 외부의 전기장이 없이도 스스로 분극을 갖는 재료로서 외부 전기장에 의해 분극의 방향이 바뀔수(swithcing) 있는 물질을 뜻한다.

강탄성은 물질이 자발적으로 팽팽해지는 성질로 물질이 하나의 결정상태에서 다른 결정상태로 바뀌는 상전이가 일어나면서 발생한다. 니켈·티타늄 합금에서 나타나는 형상 기억능력과 초탄성 현상이 대표적인 예이다.

전기장 인가에 따른 강유전성 구역 구성 및 구역 반전은 강유전성 박막의 전기소자 동작 속도와 직접적으로 연결된다. 하지만 기존 강유전 박막은 상대적으로 아주 느린 반응 속도(수십 마이크로 초)를 띠고 있어 더 빠르게 동작하는 소자 구현을 위해 돌파구가 필요하다.

연구팀은 새롭게 개발한 초고속 X선 구조분석(시간분해 미세 X선 회절)을 이용해 결맞게 자란 Pb(Zr0.35,Ti0.65)O3 박막 커패시터 안 나노미터의 크기를 갖는 강탄성 구역이 나노초 동안 초고속 반전이 가능함과 스위칭 시간은 인가된 전기장의 크기에 반비례하는 것, 그리고 약 7나노초라는 매우 짧은 시간 안에 분극 반전이 완료되는 것을 확인했다.

조지영 교수는 “이번 연구를 통해 향후 시간에 따라 변화하는 강유전성의 특징을 이용한 다중 신호 소자 개발에 기여함으로써 높은 성능을 갖는 랜덤 액세스 메모리(RAM)나 전계효과트랜지스터(FET)와 같이 반도체 소자에 활용 가능할 것으로 예상한다”고 말했다.

이번 연구는 지스트 신소재공학부 조지영 교수(교신저자)가 주도하고 이현준 박사(박사후연구원)가 수행했으며 한국연구재단이 지원하는 신진연구자 지원사업, 미래소재디스커버리사업, 이공학개인기초연구지원사업과 리서치 펠로우 사업 및 지스트의 재원인 창조적 도전과제 사업, 포스코 청암재단, 방사광가속기 이용자 지원과제의 지원을 받았다. 연구 성과는 물리 분야 세계적 학술지인 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’ 11월 18일 온라인 게재됐다.

이연호 (dew9012@edaily.co.kr)

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