메모리 용량 1천배 높일 이론 나왔다

원자간 탄성 작용을 상쇄시키는 물리 현상 적용

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메모리 용량을 1000배 높일 연구 결과가 나왔다. 울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부 이준희 교수팀은 원자간 탄성 작용을 상쇄시키는 물리 현상 발견해 반도체에 적용, 기존 반도체 메모리 저장 용량 한계를 뛰어넘을 수 있는 이론과 소재를 발표했다.

과학기술정보통신부와 UNIST는 이번 성과가 3일 세계적인 학술지 사이언스에 게재됐다고 밝혔다. 국내 이준희 연구팀 단독교신으로 발표된 이번 연구는 이론적 엄밀성과 독창성, 산업적 파급력을 인정받아 순수 이론 논문으로는 이례적으로 사이언스에 게재됐다.

이준희 UNIST 에너지 및 화학공학부 교수

이준희 교수팀은 기존 반도체 업계가 한계에 도달하고 있는 미세화 문제에 새로운 해법을 제시했다. 업계는 반도체 소자의 성능을 향상시키기 위해 미세화를 통해 단위 면적당 집적도를 높여 왔다. 그러나 반도체 소자가 한계 수준 이하로 작아지면 정보를 저장하는 능력이 사라지는 ‘스케일링’ 현상이 발생해 한계에 부딪혀 왔다. 현재 메모리 공정은 강유전체 메모리(FeRAM) 공정은 약 20나노, 플래시 메모리 공정은 10나노 선폭에서 멈춰있는 실정이다.

연구팀이 제시한 단일 원자에 데이터를 저장하는 메모리(오른쪽)와 수천 개의 원자 집단인 도메인을 사용해 데이터를 저장하는 메모리 비교

이준희 교수 연구팀은 ‘산화하프늄(HfO2)’이라는 반도체 소재의 산소 원자에 전압을 가하면 원자간 탄성이 사라지는 물리 현상을 새롭게 발견하고, 반도체에 적용해 저장 용량 한계를 돌파하는 데 성공했다.

이 현상을 적용하면 개별 원자를 제어할 수 있고 도메인 없이 0.5nm(나노미터)에 불과한 산소 원자 4개에 데이터(1bit) 저장이 가능해진다. 데이터 저장을 위해 수십 나노미터 크기의 도메인이 필요하다는 업계 통념을 뒤집고 일반 반도체에서도 단일원자 수준의 메모리를 구현할 수 있음을 입증했다.

연구팀이 제시한 단일 원자에 데이터를 저장하는 메모리(위)와 기존 도메인 메모리 비교

산화하프늄은 현재 메모리 반도체 공정에서 흔히 사용하는 소재로, 이 현상을 적용할 경우 스마트폰, 태블릿 등 다양한 제품의 메모리 성능을 한층 끌어 올릴 수 있어 산업계에 파급력이 클 것으로 예상된다.

연구팀은 현재 10nm 수준에 멈춰 있는 반도체 공정을 0.5nm까지 미세화할 수 있어 메모리 집적도가 기존 대비 약 1000배 이상 향상될 것으로 예상했다.

이준희 교수는 “개별 원자에 정보를 저장하는 기술은 원자를 쪼개지 않는 범위 내에서 최고의 집적 기술”이라며 “이 기술을 활용하면 반도체 소형화가 더욱 가속화될 것으로 기대된다”라고 말했다.

이번 연구는 과기정통부의 미래소재디스커버리사업 및 국가초고성능컴퓨팅 센터의 지원을 받았으며, 지난해 12월 삼성미래기술육성사업 과제로 선정돼 연구 지원을 받고 있다.

과기정통부는 디지털 뉴딜과 연계해 ‘소재연구데이터 플랫폼 구축’ 사업을 추진 할 예정으로, 향후 데이터 기반 소재 연구가 더욱 활성화 되도록 지속적으로 지원할 계획이다.