[충청뉴스 유규상 기자] 최근 차세대 비휘발성 메모리 소자로 각광받고 있는 ‘강유전체* 기반 FeRAM’(Ferroelectric RAM)은 빠른 동작 속도, 저전력 소비, 우수한 내구성을 동시에 구현할 수 있는 유망한 소자 기술로 주목받고 있다.
* 강유전체: 외부 전기장 없이도 분극 상태를 유지할 수 있는 물질
이러한 가운데 하프늄-지르코늄 산화물 (Hf0.5Zr0.5O2, HZO)은 기존 반도체 공정과의 호환성과 우수한 분극 특성 덕분에 상용화 가능성이 높은 강유전체 물질로 평가받고 있다. 그러나 소자 미세화에 따른 스위칭 한계와 구동 전기장에 대한 근본적인 물리적 이해는 여전히 부족한 상황이었다.
한국기술교육대학교(KOREATECH. 총장 유길상) 교양학부 안윤호 교수는 경희대학교 손종역 교수 연구진과의 공동연구를 통해, 직경 30~50nm 규모의 에피택셜 HZO 나노점을 제작하고, 나노스케일에서의 분극 도메인 벽 이동 속도(domain wall velocity) 및 분극 스위칭에 필요한 활성화 전기장(activation electric field)을 정밀하고 체계적인 실험을 통해 정량적으로 규명했다.
특히, 10 nm 이하의 초박막 구조에서도 안정적인 분극 스위칭이 가능한 것을 입증했으며, 분극 도메인 벽의 이동 속도가 인가 전압에 따라 지수함수적으로 증가하는 Merz 법칙을 실험적으로 확인했다.
더불어, 나노점의 형상비(aspect ratio)를 조절함으로써 스위칭 장벽과 활성화 전기장을 정밀하게 제어할 수 있는 새로운 설계 지침을 제시했다.
이번 연구는 단결정 수준의 강유전체 나노점에서 분극 스위칭 거동을 정량적으로 분석한 세계적으로도 드문 사례로, 기존의 벌크/박막 중심의 이해를 넘어서는 스케일링 한계 극복의 방향성을 제시했다는 점에서 큰 의미를 갖는다. 향후 HZO 기반 소자의 상용화 가능성을 한층 뒷받침하며, 차세대 초소형 비휘발성 메모리 소자 개발에 실질적인 기여가 기대된다.
안윤호 교수는 본 논문의 제1저자이자 공동 교신저자로 참여하였으며, 해당 연구 성과는 물리재료 과학 분야 최고 권위 학술지 ‘Advanced Functional Materials (IF = 19.0, Wiley 발행)’에 2025년 8월 27일자로 온라인 게재되었다. (관련 연구의 논문 제목: Scaling Effects on Ferroelectric Polarization Switching and Activation Electric Field in Epitaxial Hf0.5Zr0.5O2 Nanodots)
