계명대 연구팀, 극한 환경 초음속 충격 견디는 반도체 메모리셀 소재 개발

박도윤 석사과정(왼쪽부터), 조신흠 교수, 강주현 학석사연계과정.[계명대 제공]

[헤럴드경제(대구)=김병진 기자]계명대는 화학공학과 조신흠 교수 연구팀(박도윤 석사과정, 강주현 학석사연계과정)과 기계공학과 김익현 교수 연구팀이 초고속 충격 환경에서도 안정적으로 작동하는 적외선 플라즈모닉 반도체 나노소재를 개발했다고 31일 밝혔다.

이번 연구는 미국 오크리지국립연구소(Oak Ridge National Laboratory)와의 국제 공동연구 성과로, 국제학술지 ACS Applied Materials & Interfaces(IF 8.2)에 온라인 게재됐다.

연구팀은 인듐-주석 산화물(Sn:In₂O₃) 나노결정을 활용해 강력한 적외선 플라즈몬 공명(LSPR) 특성을 발현하면서, 마하 1.7 수준의 항공 초음속 충격파 환경에서도 구조적·전자적 메모리셀 디바이스 안정성을 유지함을 입증했다.

논문 제목은 ‘Valency-Conserved Doping in Infrared Plasmonic Nanocrystals for Supersonic Shock-Resistant Multi-Level Cell Modulation’(적외선 플라즈모닉 나노결정의 산화수 보존 도핑을 통한 초음속 충격 저항 다중 레벨 셀 변조)이다.

연구팀은 기존 고가의 Sn(IV) 전구체 대신 상대적으로 저렴한 Sn(II) 전구체를 사용하면서도 동일한 도핑 효과가 발현됨을 과학적으로 규명했다.

실험 결과 Sn(II)와 Sn(IV) 전구체로 합성한 나노결정은 자유전하 농도와 LSPR 흡수 특성이 거의 같았고, 이는 향후 대량 합성과 재료 공급망 안정성 확보에 중요한 근거가 될 것으로 전망된다.

특히 소재는 864K 고온과 2MPa 고압 환경에서 반복되는 초음속 충격에도 산화 안정성을 유지하며, 플래시 메모리셀 소자의 다중 레벨 셀(Multi-Level Cell, MLC) 동작이 가능함을 확인했다.

이 기술은 차세대 반도체 메모리와 광전자 소자 개발은 물론 극한 환경에서도 안정적인 성능을 유지할 수 있다는 점에서 의의가 크다.

특히 유리 기판 기반 Silicon-on-Glass 집적 기술과 결합할 경우 HBM(High Bandwidth Memory)과 GPU용 메모리 등 차세대 고집적 반도체 패키징에도 새로운 가능성을 제시할 것으로 전망된다.

조신흠 교수는 “이번 연구 성과는 항공우주, 방위산업 분야에서도 폭넓게 활용 가능하다”며, “고속 미사일 적외선 탐지 필터, 항공기 스텔스 소재, 자율주행 LiDAR 센서 등 적외선 기반 정밀 탐지와 제어가 필요한 분야에서 솔루션을 제공할 것”이라고 말했다.

이번 연구에는 계명대 전략융합나노화학물 연구그룹 박도윤 석사과정생이 제1저자로 참여했으며 충격파·기체역학 실험실 김익현 교수와 조신흠 교수가 공동 교신저자로 참여했다.

연구는 계명대 RISE 사업과 한국연구재단 우수신진연구 지원으로 수행됐다.

한편 조신흠 교수는 KAIST 생명화학공학과와 화학과를 졸업하고 풀브라이트 장학생으로 미국 텍사스대학교 오스틴캠퍼스에서 화학공학 박사학위를 취득했다.

이후 삼성전자 반도체연구소 책임연구원을 거쳐 2021년 계명대 화학공학과 교수로 부임했으며 금속산화물 기반 반도체 나노소재 연구와 차세대 반도체, 국방 적외선 기술, 자동화 제조 공정 응용 소재 개발 등에 주력하고 있다.