재료연구원-포스텍, '세계 최초' 2차원 소재와 강유전체 접합한 비휘발성 메모리 소자 개발

한국재료연구원(KIMS, 원장 최철진) 에너지․환경재료연구본부 김용훈 박사와 재료분석센터 송경 박사 연구팀이 포항공과대학교 황현상 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 2차원 소재인 이황화 텅스텐(WS2)과 강유전체 하프늄지르코늄산화물(이하 HZO)의 이종접합 기술을 개발해 계면 안정성과 우수한 결정성(원자나 분자의 구조가 규칙적으로 배열된 상태)을 동시에 구현하는 데 성공했다. 

이번 연구 결과는 세계 3대 반도체 학회 중 하나이자 반도체 올림픽이라고 불릴 정도로 세계적 권위를 가진 국제전자소자학회(IEDM2024)에 채택됐다.

이황화 텅스텐은 텅스텐과 황으로 이뤄진 2차원 재료 중 하나로 얇은 원자층의 구조를 가졌다. 수 나노미터 두께로도 고유의 물성을 가져 반도체나 에너지 저장 장치 등에 주로 활용된다. 강유전체(Ferroelectric)는 외부 전기장 없이도 스스로 분극을 가지는 재료며 전원이 꺼져도 정보가 유지되는 비휘발성 메모리에 적용될 수 있다. 그중 HZO는 강유전체 특성을 가지는 대표적인 재료다.

이번 연구는 강유전체 소자 기술의 한계로 지적된 계면 안정성 문제를 해결하고 HZO의 결정성을 제어해 소자 간 특성 불균일성을 개선했다. 계면 안정성은 두 물질이 맞닿아 있는 경계면에서 물리적, 화학적 변화를 최소화해 고유의 물성이 안정적으로 유지되는 성질이다. 반도체 소자에서는 이와 같은 계면 안정성이 높을수록 성능 저하 없이 수명을 유지할 수 있어 이는 반도체의 신뢰성과도 직결된다.

기존 원자층 증착법(ALD) 기반의 HZO 증착은 여러 문제점에 직면해 있다. 그중 한 가지 문제점은 하부 전극에 HZO를 증착할 때 고온과 산소에 노출돼 불필요한 화학 반응을 일으키고 이때 형성된 얇은 산화물층이 HZO의 강유전체 특성을 떨어뜨린다는 것이다. 

또한 HZO의 강유전성을 위해 고온에서 열처리 공정이 필수적이지만 이 과정에서 HZO 박막 표면의 산소 원자가 전극 쪽으로 이동해 HZO 표면에 산소 공공과 같은 결함을 유도할 뿐만 아니라 강유전체 특성이 동작 횟수에 따라 다르게 나타나는 문제가 발생했다.

이러한 문제를 극복하기 위해 전극과 HZO 계면의 안정성을 확보하기 위한 연구가 필요했다. 연구팀은 하부 전극과 HZO 계면 안정성을 유지하기 위해 이황화 텅스텐 소재를 삽입한 후 불필요한 화학 반응을 최소화해 하부 전극 표면을 보호하고 HZO 박막 표면의 산소 원자 이동을 제어했다. 이를 통해 안정적인 계면 안정성을 확보해 HZO의 강유전체 특성을 극대화하는 결과를 얻었다.

또한 HZO 기반의 강유전체를 상용화하는 데 가장 큰 장벽은 각각의 나노미터 크기의 도메인들이 무질서한 방향으로 분포해, 소자 간 성능의 불균일성이 발생해 신뢰성을 확보하는 데 문제가 있다. 

연구팀은 이와 같은 문제를 극복하기 위해 이황화 텅스텐의 격자 상수(원자가 규칙적으로 배열된 단위)와 HZO의 특정 면 간 거리가 유사하다는 특성을 이용해 서로 결합할 때 우수한 결정성이 확보가 가능한 것에 착안했다. 이를 통해 물질 도메인의 방향성을 제어하고 정렬성을 극대화함으로써 소자 간 신뢰성을 높일 수 있었다.

2차원 이황화 텅스텐과 HZO의 이종접합 기술은 강유전체 기반의 차세대 비휘발성 메모리 소자를 구현하는 중요한 기술적 돌파구로 평가받고 있다. 이황화 텅스텐이 고온 환경에서 하부 전극을 보호함과 동시에 도메인의 정렬을 유도해 강유전체 소자의 성능을 크게 개선한 결과다.

연구책임자인 재료연 김용훈 책임연구원은 "HZO를 활용한 비휘발성 메모리 소자 상용화의 가장 큰 난제였던 무질서한 도메인의 제어 문제를 해결함으로써 신뢰성과 내구성이 높은 비휘발성 메모리 특성을 확보했다"고 말했다. 연구팀은 반도체 후공정(Back End of Line, BEOL)에 적용할 수 있는 저온 공정(400도 이하)에서의 성능 최적화 작업을 이어가고 있다.

연구 결과는 논문의 제 1저자인 한국재료연구원 황승권 박사과정 학생연구원이 오는 12월 11일 미국 샌프란시스코에서 열리는 국제전자소자학회 IEDM 2024에서 발표할 예정이다.

◆경남창조경제혁신센터 ‘월드 브릿지 프로그램’, 창업도약패키지 지원사업 유망기업 대상 일본 진출 지원

경남창조경제혁신터(장성만 센터장 직무대리)는 창업도약패키지 지원사업 참가기업 대상으로 ‘월드 브릿지 프로그램’을 주관해 유망 스타트업들의 일본 시장 진출을 위한 교두보 역할을 성공적으로 수행했다.

창업도약패키지는 중소벤처기업부와 창업진흥원이 주관하고 경상남도가 후원하는 사업으로 도약기 창업기업(3년 초과 7년 이내 기업)이 매출 부진과 자금 부족으로 겪는 위기를 극복하고 도약할 수 있도록 지원하는 사업이다.

최근 한국 스타트업들의 일본 진출이 활발히 이뤄지고 있는 가운데 KOTRA 통계에 따르면 일본에 진출한 한국 신규 법인 수가 2022년 158개에서 2023년에는 200개를 넘어선 상황이다. 

이러한 증가는 일본 정부의 ‘스타트업 육성 5개년 계획’과 더불어 2027년까지 10조 엔 규모의 스타트업 투자 계획 발표에 힘입는 바가 크다. 이는 한국 스타트업에게 새로운 기회의 땅으로 일본이 부상하고 있음을 보여주고 있으며 그 흐름에 발맞춰 이번 프로그램을 일본 현지에서 진행했다.

지난 11월 19일부터 22일까지 일본 도쿄에서 진행된 ‘월드 브릿지 프로그램’은 혁신적인 기술을 보유한 창업기업 3개사의 글로벌 경쟁력 강화에 초첨을 맞췄다. 

참가 기업으로는 △GNSS RTK 기술을 적용한 모바일위치정밀도 향상 앱을 개발 중인 네브시스 △치과에서 사용하는 휴대용 디지털 탄소나노튜브 엑스레이 진단시스템을 개발하는 일렉필드퓨처 △인공지능이 적용된 구독형 지인추천 캠페인 서비스를 개발하는 클로저랩 이상 3개사다.

경상남도는 경남창조경제혁신센터와 연계해 참여 기업들이 현지 적응과 시장 진입을 효과적으로 준비할 수 있도록 일문 IR자료 제작, 시장 진출 전략 컨설팅, 현지 파트너 발굴을 지원했다. 이를 기반으로 이들 기업은 일본 최대 규모 스타트업 박람회 Climbers Startup JAPAN 2024에 참가해 일본 대기업 및 바이어들과 1:1 비즈니스 미팅을 진행하며 일본 시장에서의 가능성을 확인했다.

또한 중소벤처기업진흥공단이 운영하는 해외진출 플랫폼 ‘코리아 스타트업센터(KSC)’와 도쿄도에서 스타트업 혁신을 위해 설립한 ‘도쿄 이노베이션 베이스’(TIB)를 방문해 한-일 스타트업 생태계 간 협력 방안을 모색하는 기회를 가졌다. 

장성만 센터장 직무대리는 "월드브릿지 프로그램을 통해 창업도약패키지 참여 기업들이 일본 스타트업 생태계를 경험하고, 글로벌 시장에서의 경쟁력을 갖추고 도약할 수 있는 계기가 됐다"며 "경남도와 협력해 센터가 글로벌 거점 허브로서의 역할을 강화하고 더 많은 한국 스타트업이 해외 시장 진출할 수 있도록 글로벌 파트너 기관과 네트워크를 확대할 것"이라고 말했다.

◆산단공, 창원산단 화재확산 방지 수막설비 설치

한국산업단지공단 경남지역본부(본부장 박병규)는 3일 중소기업 공장이 밀집한 창원국가산업단지 내 제3아파트형공장의 화재확산 방지를 위한 수막시설을 시범적으로 설치하고 의창소방서 등 산단 통합안전관리 지원협의체와 수막설비 연계 화재확산 방지훈련을 진행했다.

수막설비는 공장이 밀집한 곳의 화재 발생시, 연접한 공장으로 화재가 확산되지 않도록 건물 외벽에 배관을 설치해 물을 수막형태로 분사함으로써 화재가 옆으로 번지지 않도록 하는 시설이다.

박병규 본부장은 "이번 제3아파트형공장 수막설비 설치를 시작으로 경남 산안협과 협력해 창원국가산업단지 내 수막설비 추가 설치 및 안전 예방활동을 지속해 화재 및 안전사고로부터 안전한 산업단지로 거듭날 수 있도록 더욱 노력하겠다"고 말했다.

◆창원상의, ‘미래경영 아카데미와 함께하는 지역 봉사의 날’ 개최

창원상공회의소(회장 최재호)는 4일 대한적십자사 경남지사에서 ‘미래경영 아카데미와 함께하는 지역 봉사의 날’ 행사를 개최했다.
 
이번 행사는 2세 경영인들로 구성된 미래경영 아카데미 1기~5기 수료생 30여 명이 참여해 손수 만든 밑반찬과 빵 등 500만원 상당의 물품을 취약계층에 전달하며 따뜻한 나눔을 실천했다.

참여한 2세 경영인들은 "선배 경영인들은 어려운 시기일수록 지역사회에 관심을 가지고 공헌했다"며 "이번 봉사활동을 통해 젊은 경영인들이 우리 지역에 선한 영향력을 펼칠 수 있는 좋은 계기가 됐으면 한다"고 말했다.

한편 2020년 시작된 창원상공회의소 미래경영 아카데미는 올해까지 5기 수료생을 배출했다. 현재 수강생 모임인 총동문회(회장 오정석 현대정밀 대표이사)를 통해 봉사활동·특별강연 등 수강생 중심의 다양한 교류와 사회 공헌 활동을 이어가며 지역 사회에 긍정적인 변화를 만들어가고 있다.

◆낙동강환경청, 화학물질안전원과 울산 산단 화학사고 민‧관 공동방재지원체계 구축

낙동강유역환경청(청장 최종원)은 4일 SK 울산 COMPLEX(SK지오센트릭)에서 화학물질안전원(원장 박봉균)과 울산지역 주요 기업들과 함께 화학사고 공동방재지원체계 업무협약을 체결했다. 

이번 협약에는 울산 화학사고 민·관공동대응협의회(156개사) 용연·용잠권역 주관사(SK 에너지 실장 옥진규), 울산환경기술인협회(176개사, 회장 유동기), 울산석유화학공업단지협의회(23개사, 회장 이종화)가 함께 참여했다.

울산지역은 전국 광역시 중 화학사고 발생 빈도가 가장 높은 지역으로 지난 9년간(‘15년~’23년) 총 78건의 화학사고가 발생했다. 특히 국가 산업단지에는 24시간 가동되는 대규모 공장들이 다수 위치해 야간, 주말과 같이 사고 대응‧수습이 여건이 취약한 시간대에도 화학사고가 빈번하게 발생한다. 

취약시간에 화학사고가 발생할 경우, 유‧누출된 화학물질을 폐기 및 회수처리 하는 과정에서 방재 차량과 지정폐기물 차량 등의 동원이 어려워 사고 대응·수습이 지연되고 피해확대가 우려돼 왔다. 이번 협약은 화학사고 시 잔류폐기물을 신속하게 회수‧처리할 수 있는 화학사고 공동방재지원체계를 구축해 환경오염을 차단하고 사고 피해를 최소화하기 위해 마련됐다.

각 협약기관은 울산지역에서 화학사고가 발생하게 되면 인력과 장비, 그리고 방재차량 및 방재물품이 신속(취약시간 포함)하게 사고 현장으로 동원될 수 있도록 협력체계를 구축했다. 또한 화학사고 대응·수습을 위해 필요한 경우 울산 외 지역도 적극 지원하기로 했으며 이러한 협력체계가 실제 상황에서 원활하게 작동할 수 있도록 주기적인 훈련을 시행하기로 했다.

최종원 낙동강유역환경청장은 "이번 업무협약을 통해 취약시간에 화학사고가 발생하더라도 안전하고 신속하게 대응·수습이 될 것으로 기대된다"고 말했다.
강종효 기자 k123@kukinews.com