1월 과기인에 김윤석 교수…"차세대 반도체 소재 고성능화"

1월 과기인에 성균관대 김윤석 교수 김윤석(오른쪽) 성균관대 신소재공학부 교수가 연구진에게 원자힘현미경을 이용한 강유전성 평가 방법을 설명 하고 있다. [과기정통부 제공. 재판매 및 DB 금지]

(서울=연합뉴스) 문다영 기자 = 과학기술정보통신부와 한국연구재단은 '이달의 과학기술인상' 1월 수상자로 성균관대학교 신소재공학부 김윤석 교수를 선정했다고 4일 밝혔다.

김 교수는 차세대 반도체 소재인 하프늄옥사이드(이하 'HfO₂')의 '강유전성'을 높이는 기술을 개발해 반도체 소자 기술 경쟁력을 강화한 공을 인정받았다.

하프늄옥사이드 기반 강유전체에서의 단사정상에서 사방정상으로 상전이 과정 산소 공공 밀도 증가를 통해 강유전성이 없는 단사정(monoclinic)상에서 강유전성이 있는 사방정(orthorhombic)상으로 상전이를 유도하는 과정 [과기정통부 제공. 재판매 및 DB 금지]

강유전성이란 외부 전기장 등에 의해 물체의 일부가 양(+)극이나 음(-)극을 띠게 된 후 그 극성을 유지하는 성질을 말한다.

강유전성이 큰 반도체 소재는 메모리에서 데이터를 저장하는 기본구조인 '0'과 '1'의 차이가 벌어져 저장된 데이터를 더욱 정확하게 읽을 수 있다.

HfO₂는 나노미터(㎚) 수준의 얇은 막에서도 우수한 강유전성을 보이며 메모리, 트랜지스터 등 기존 산화물을 대체할 차세대 반도체 소재로 꼽힌다.

다만 그간 HfO₂에서 어떻게 강유전성이 발현되는지는 밝혀지지 않았고, 강유전성을 높이는 공정도 복잡해 반도체 소자의 초고 집적화 실현에 어려움이 있었다.

이온빔을 통한 강유전 사방정상 유도와 이를 통한 강유전성 증대 기술 [과기정통부 제공. 재판매 및 DB 금지]

이에 김 교수 연구팀은 강유전성 발현 정도가 산화물 재료 결정구조의 산소 공공(산화물 재료의 결정구조에서 산소 원자가 빠져 비어있는 자리)과 밀접한 관계가 있다는 점에서 아이디어를 얻었다.

연구팀은 가볍고 미세 제어가 가능한 이온빔을 HfO₂ 기반의 강유전성을 지닌 물체에 조사해 산소 공공을 형성했다. 이온빔이란 전기장이나 자기장으로 전하를 띤 원자의 방향을 정렬해 만든 흐름이다.

그 결과 기존 대비 200% 이상 강유전성이 증가했음이 확인됐다.

동시에 연구팀은 강유전성 증가 원인이 산소결함 밀도와 연계된 결정구조 변화에서 기인한다는 원리를 규명할 수 있었다.

김 교수는 이러한 연구성과에 대해 "이온빔이라는 하나의 변수만으로 물성을 쉽게 제어하고 고성능화할 수 있는 가능성을 열었다"며 "강유전성을 활용한 고효율 반도체소자의 실용화에 기여할 수 있을 것으로 생각된다"고 설명했다.

연구성과는 국제학술지 사이언스(Science)에 지난해 5월 게재됐다.

김 교수 연구팀 [과기정통부 제공. 재판매 및 DB 금지]

zero@yna.co.kr

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