김 미 선 기자

건국대 물리학부 박배호 교수, 홍사환 박사, 전지훈 연구원(박사과정) 연구팀과 세종대 최택집 교수팀은 전기적 성질과 자기적 성질을 동시에 갖는 다중강성(Multiferroic) 강유전체 물질인 비스무스철산화물(BiFeO3)을 단결정성 나노입자 형태의 소자로 제작해 거대 저항 변화를 확인하고, 고집적 저전력 차세대 메모리 소자로서의 특성을 처음으로 규명했다고 밝혔다.

해외 과학 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스(ADVANCED MATERIALS)’지 3월호에 게재되기도 한 이번 연구 결과로, 나노입자 비스무스철산화물을 이용한 높은 집적도와 낮은 전력 소비 특성을 갖는 차세대 메모리 소자 개발에 한발 다가서게 됐다.

비스무스철산화물은 다강성 물질 중 하나로, 전기적 신호를 이용해 자기적 특성을 제어할 수 있고 자기적 신호를 이용해 전기적 특성의 변화를 유도할 수 있는 물질이다. 또한, 외부 빛에 의해 기전력이 발생하는 광전기력 효과도 가지고 있어, 이러한 전기적 자기적 특성 덕분에 비휘발성 메모리 소자 및 태양전지 분야에서 응용성이 기대된다.

건국대 연구팀은 나노 구조 틀인 양극산화알루미늄을 제작해 강유전성 특성을 갖는 단결정성 비스무스산화철 나노입자를 성공적으로 제작했으며, 내부의 저항 변화 메모리 특성과 전기분극 현상(음이온 양이온이 나뉘는 현상) 간의 상관성 연구를 수행했다.

그 결과, 외부에서 가하는 전기장의 크기와 방향에 따라 비스무스산화철 나노입자 내부의 전기분극 방향이 전환되고, 이에 따라 저항 변화 메모리 특성을 제어할 수 있는 다이오드 특성도 변화됨을 규명했다.

비스무스산화철의 다이오드 특성에 기초한 비휘발성 메모리 연구는 이러한 특성을 갖는 고집적 고성능 전자소자 개발에 직접 응용될 수 있다.

강유전은 전기장을 걸지 않아도 자연 상태에서 양이온과 음이온으로 분리돼 주변에 전기장이 형성된 상태를 말한다. 비스무스(Bi) 산화철은 강유전체(전기적 성질)인 동시에 자기장을 만드는 자성체(자기적 성질), 즉 전기·자기적 성질을 모두 가진 ‘다강체’다. 강유전체는 대용량 데이터 저장(D램)이 가능함과 동시에 작동 속도도 빠르며(S램), 전원 없이도 데이터가 지워지지 않는(플래시 메모리) 차세대 반도체 메모리(F램)의 핵심 물질이며, 자성체는 자기를 이용해 정보를 기억하는 새로운 형태의 기억소자(M램)의 필수적인 요소다.

박배호 건국대 교수는 “이번 연구 성과로 인해, 강유전성을 이용한 비휘발성 메모리 소자 연구의 새로운 연구 방향을 제시하고, 미래의 산화물 전자소자 및 소재 개발과 관련 산업에 영향을 줄 것으로 기대된다”며, “비스무스철산화물의 외부 전기장에 따른 자기분극 변화 특성을 활용하면 신개념의 복합기능 소자 개발이 가능할 것으로 보인다”고 설명했다.

SOLAR TODAY 김 미 선 기자 (st@infothe.com)

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