국내 연구팀이 차세대 고성능 메모리와 태양전지 등의 소재로 응용가능한 물질인 비스무스철산화물(BiFeO3)로 나노 입자 소자를 만드는데 성공하고, 기존 반도체의 한계를 뛰어넘는 차세대 저항변화 메모리(ReRAM)로서의 특성을 결정하는 거대 저항 변화를 확인하는 등 전기적-자기적 특성을 처음으로 규명했다.

건국대 물리학부 박배호 교수와 홍사환 박사, 전지훈 연구원(박사과정) 연구팀과 세종대 최택집 교수팀은 전기적 성질과 자기적 성질을 동시에 갖는 다중강성(多重强性·multiferroic) 강유전체 물질인 비스무스철산화물(BiFeO3)을 단결정성 나노입자 형태의 소자로 제작하여 거대 저항 변화를 확인하였고, 고집적 저전력 차세대 메모리 소자로서의 특성을 처음으로 규명했다고 8일 밝혔다.

이번 연구결과는 재료분야의 권위 있는 해외 과학 학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼스(ADVANCED　MATERIALS)’지 (impact factor: 13.877) 3월호(3월1일자 온라인)에 게재되었다.

이번 연구결과로 나노 입자 비스무스철산화물을 이용한 높은 집적도와 낮은 전력 소비 특성을 갖는 차세대 메모리 소자 개발에 한 발짝 다가서게 되었다.

비스무스철산화물은 다강성 물질의 하나로 전기적 신호를 이용하여 자기적 특성을 제어할 수 있고, 자기적 신호를 이용하여 전기적 특성의 변화를 유도할 수 있는 물질이다. 또한, 외부에서 비춰주는 빛에 의해 기전력이 발생하는 광전기력 효과도 가지고 있음이 밝혀졌다. 이러한 전기적 자기적 특성 덕분에 비휘발성 메모리 소자 및 태양전지 분야에서 응용성이 기대 되는 물질이다.

건국대 연구팀은 나노 구조 틀인 양극산화알루미늄을 제작하여 강유전성 특성을 갖는 단결정성 비스무스산화철 나노입자를 성공적으로 제작하였고, 내부의 저항변화 메모리 특성과 전기분극 현상(음이온 양이온이 나뉘는 현상) 간의 상관성 연구를 수행하였다.

외부에서 가하는 전기장의 크기와 방향에 따라 비스무스산화철 나노입자 내부의 전기분극 방향이 전환되고 이에 따라 저항변화 메모리 특성을 제어할 수 있는 (전류가 한쪽 방향으로만 흐르는) 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(mulitiferroic)’다. 강유전체는 대용량 데이터를 저장(D램)할 수 있으면서 작동 속도가 빠르며(S램) 전원 없이도 데이터가 지워지지 않는(플래시 메모리) 장점만을 고루 갖춘 차세대 반도체 메모리(F램)의 핵심 물질이고, 자성체는 자기를 이용해 정보를 기억하는 새로운 형태의 기억소자(M램)의 필수적인 요소이다.

박배호 건국대 교수는 “이번 연구 성과는 강유전성을 이용한 비휘발성 메모리 소자 연구의 새로운 연구 방향을 제시하고, 미래의 산화물 전자소자/소재 개발과 관련 산업에 영향을 줄 것으로 기대된다”며 “또한, 비스무스철산화물의 외부전기장에 따른 자기분극 변화 특성을 활용하면 신개념의 복합기능 소자 개발이 가능할 것으로 보인다”고 말했다.

이번 연구의 특이한 점으로는 강유전체 나노구조와 관련된 국내 전문가인 건국대 박배호 교수팀, 세종대 최택집 교수팀, 성균관대 김윤석 교수의 협력 연구로 우수한 성과를 달성했다는 점이다. 이에 따라 차세대 소자용 강유전체 나노구조 연구에 있어서 국내 연구팀이 한 발 앞서나가는 계기를 마련한 것으로 평가되고 있다.