축구장 면적의 몇백 배 규모인 데이터센터의 효율을 근본적으로 높여 데이터센터의 크기를 크게 줄일 수 있도록 메모리 소재의 용량을 획기적으로 향상시킬 수 있는 연구 결과가 나왔다.

울산과학기술원(총장 이용훈, 이하 UNIST) 에너지 및 화학공학부 이준희 교수팀이 메모리 소자의 용량을 1,000배 이상 향상시킬 수 있는 산화하프늄(HfO2)의 새로운 기능을 찾아내는데 성공했다.

이러한 연구결과는 10nm 수준에 멈춰선 메모리 소자의 단위셀 크기 한계를 단숨에 0.5nm까지 축소할 수 있는 새로운 페러다임의 메모리 소재 원리를 발견한 것이어서 의미가 크고, 본 이론을 적용하면 원자에 직접 정보를 저장해, 기존 메모리 소재로는 불가능하다고 여겼던 작은 크기의 반도체 뿐 아니라 초집적/초저절전 인공지능 반도체 구현에까지 이용될 수 있을 것으로 예상된다.

과학기술정보통신부(장관 최기영, 이하 과기정통부)와 UNIST는 이번 성과가 세계적으로 저명한 국제학술지 사이언스(Science, IF 43.655)에 국내 이준희 교수팀 단독교신으로 7월 3일 4시(한국시간) 발표되었다고 밝혔는데, 순수 이론 논문이 사이언스에 게재되는 것은 극히 이례적인 예이다.

기존에는 원자들 간 강한 탄성 상호작용으로 인해 원자 하나하나를 개별적으로 제어하는 것은 불가능하다고 알려져 있었는데, 반도체 공정이 수십 나노 공정이하로 내려갈 경우 모든 반도체가 저장 능력을 상실하는 ‘스케일 현상’을 피할 수 없다고 보았기 때문이다.

하지만, 이준희 교수 연구팀은 산화하프늄(HfO2)이라는 반도체에 특정 전압을 가하면 원자를 스프링처럼 강하게 묶던 상호작용이 완전히 사라지는 새로운 물리현상을 발견했다.

전압이 원자들 사이 상호작용을 끊어주는 자연차폐막이 형성되는 현상을 이용해 마치 진공에 있는 것처럼 반도체 안에 존재하는 산소원자 4개씩을 개별적으로 스위칭하여 메모리 소재로 응용할 수 있음을 입증해 낸 것이다.

또한, 정보저장을 위해서 적어도 원자 수천 개 이상이 모여 만든 수십 나노미터 크기의 도메인*이 필요하다는 기존 이론과는 달리,

도메인 없이 0.5 나노미터에 불과한 개별 원자 4개 묶음에 정보를 저장, 일반 반도체에서도 단일원자 수준의 메모리를 구현할 수 있음도 입증하였다.

특히 산화하프늄(HfO2) 이라는 산화물은 기존의 실리콘 기반 반도체 공정에서 이미 흔하게 사용되는 물질이어서, 원자 이론의 상업화 적용 가능성이 높고 파급력도 클 것으로 기대된다.

이준희 교수는 “향후 초집적 반도체 분야에 세계적 경쟁력을 확보하기 위한 중요한 기반이 될 수 있는 이론으로, 개별 원자에 정보를 저장하는 기술은 원자를 쪼개지 않는 한, 현 반도체 산업의 마지막 집적 저장 기술이 될 확률이 높다” 고 연구의 파급력을 설명했다.

본 연구수행은 과학기술정보통신부가 계산과학 등 新연구방법론으로 새로운 물성과 기능을 구현하는 신소재 개발 추진하는 “미래소재디스커버리사업” 및 데이터 집약형 공학·과학분야 문제해결을 지원하는 “국가초고성능컴퓨팅 센터”의 지원 등으로 이루어졌다.

한편, 과기정통부는 디지털 뉴딜과 연계하여 ‘소재연구데이터 플랫폼 구축’ 사업을 추진 할 예정으로(3차 추경 등), 향후 데이터 기반 소재 연구가 더욱 활성화 되도록 지속적으로 지원할 계획이다.