반도체 소재 상식 뒤집었다!… UNIST, ‘도메인 벽’ 안정성 규명

“산화하프늄에서 ‘대전된 도메인 벽’이 벌크 영역 보다 안정”
UNIST 이준희 교수팀, 피지컬 리뷰 레터스 4월 22일 게재

강유전체의 불안정한 구조로 여겨졌던 도메인 벽이 오히려 가장 안정적인 상태일 수 있다는 분석이 나왔다.

도메인 벽의 유무에 따라 0과 1의 정보를 저장하는 고밀도 반도체 메모리 소자 개발에 길이 열렸다.

UNIST 반도체소재부품대학원 이준희 교수팀은 강유전체에서 '대전된 도메인 벽'이 가장 에너지가 낮은 상태로 여겨지는 벌크 영역보다 더 안정적으로 존재할 수 있다는 사실을 양자역학 기반 계산을 통해 입증했다고 22일 밝혔다.

UNIST 이준희 교수. UNIST 제공

강유전체는 외부에서 전기장을 가해 물질 내부의 분극 방향을 바꿀 수 있는 차세대 반도체 소재다. 이 소재 내부에는 서로 다른 분극 방향이 만나는 경계면인 도메인 벽이 형성되는데, 형성에 필요한 에너지가 높고, 일단 생겨도 쉽게 사라져 불안정하다고 알려져 있었다.

이 교수팀은 산화하프늄(HfO₂) 강유전체의 특정 결정 방향에서 형성되는 대전된 도메인 벽(charged domain wall)이 오히려 벌크 영역보다 낮은 총 에너지 상태를 가질 수 있다는 사실을 이론적으로 확인했다.

고체물리학 상식에 반하는 이 같은 현상은 '음의 구배 에너지'라는 특이한 물리적 성질 덕분이다. 분극 방향이 급격히 바뀌는 도메인 벽에서는 보통 구배 에너지가 양의 값을 가져 벽 형성을 방해한다. 하지만 산화하프늄의 경우, 특정 진동 모드에서 이 에너지가 음수로 바뀌며 도메인 벽이 형성되기 쉬운 조건이 만들어졌다.

이처럼 음의 구배 에너지가 대전으로 인해 생긴 정전기 에너지를 일부 상쇄하고, 나머지 에너지는 도핑을 통해 보상하면, 전체적으로는 벌크보다 더 안정적인 도메인 벽이 형성될 수 있다는 결론이다.

산화하프늄 강유전체 내 '대전된 도메인 벽' 구조와 전하 분포 모식도.

이준희 교수는 "강유전체내 대전된 도메인 벽이 에너지적으로 안정화될 수 있는 조건을 이론적으로 규명한 연구"라며 "도메인 벽의 유무를 각각 0과 1의 정보로 저장하는 고밀도 메모리 소자 개발에 단서"가 될 것이라고 말했다.

이번 연구는 UNIST의 파완 쿠마르(Pawan Kumar) 연구원과 딥티 굽타(Dipti Gupta) 연구원이 각각 제1저자와 공동저자로 참여했다.

UNIST 딥티 굽타 연구원. UNIST 제공

연구 결과는 물리학 분야 최고 권위 학술지인 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)에 4월 22일 자로 출판됐다.

연구 수행은 과학기술정보통신부 한국연구재단, 산업통상자원부 한국산업기술진흥원의 지원을 받아 이뤄졌다.

영남취재본부 김철우 기자 sooro97@asiae.co.kr