COMPUTERS 원자 하나하나에 정보 담는 신개념 메모리 '저장용량 1000배로 뛴다'

원자 하나하나에 정보 담는 신개념 메모리 '저장용량 1000배로 뛴다'

이준희 울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부 교수(왼쪽에서 두번째) 연구팀은 산화하프늄 반도체 저장 용량을 1000배 늘릴 수 있는 이론을 개발했다. UNIST 제공

국내 연구진이 전압만 바꿔 원자 하나하나에 정보를 저장하는 신개념 메모리 반도체의 원리를 발견했다. 지금보다 정보 저장 용량을 1000배 이상 늘릴 수 있고 기존 반도체 소재를 그대로 사용할 수 있어 상용화 가능성이 높은 것으로 평가된다. 

이준희 울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부 교수팀은 반도체 소재로 사용되고 있는 산화하프늄(HfO2) 반도체의 저장 용량을 지금보다 1000배 늘릴 수 있는 기술을 개발했다고 2일 밝혔다. 이는 고화질(HD) 영화 3만 편에 해당하는 500테라비트(Tb)를 손톱 크기에 저장할 수 있는 수준이다. 

연구팀은 현재의 D램이나 낸드플래시 메모리를 대체할 차세대 후보로 꼽히는 '강유전체 메모리(F램)'에 주목했다. F램은 전기를 가하면 원자 위치가 바뀌는 강유전체 현상을 이용해 정보를 기록하고 읽는 원리다. 전원을 꺼도 정보가 그대로 남아있고, 정보를 기록하고 제거하는 속도가 플래시메모리보다 1000배나 빠르다.

하지만 F램은 정보를 저장하기 위해 원자를 움직이면 원자 사이의 힘 때문에 원자 수천 개가 동시에 '우르르' 움직이는 특성이 있어 선폭을 줄이기 어려운 단점이 있다. 하나의 정보를 저장하려면 수 나노미터(nm·10억분의 1m)의 선폭을 가진 기존 반도체보다 훨씬 큰 20nm 이상이 필요하다. 이 때문에 F램은 플래시메모리보다 상용화가 더뎠다.

연구팀은 산화하프늄에 3~4V 전압을 가하면 원자 사이 힘이 끊어진다는 사실을 알아냈다. 기존 강유전체 메모리(아래)는 하나의 정보를 담으려면 원자 수천개를 움직여야 했다. UNIST 제공

연구팀은 강유전체 물질인 산화하프늄에 3~4V의 전압을 가하면 원자 사이 힘이 끊어진다는 사실을 알아냈다. 원자들을 서로 묶고 있던 상호작용이 순간적으로 사라지자 원자 하나하나를 자유롭게 옮길 수 있는 상태가 됐다. 슈퍼컴퓨터로 분석한 결과 전압을 가하면 산화하프늄 속 산소 원자 4개가 짝을 지어 위치를 바꾸는 것으로 나타났다. 산소 원자 4개의 길이는 0.5nm에 불과하다. 이론상 선폭을 0.5nm까지 줄일 수 있다는 의미다. 

기존 반도체의 최소 선폭은 5nm까지 줄었다. 이번 발견으로 이론적으로는 이를 10분의 1 이하로 더 줄일 수 있게 됐다. 이 교수는 “마치 피아노 건반처럼 다른 원자에 영향을 주지 않은 채 하나하나의 원자를 개별적으로 조절할 수 있고, 이들을 조합해 수많은 새로운 정보를 저장하는 것도 가능하다”며 “동일한 공간에 1000배 이상의 정보를 더 저장할 수 있다”고 말했다.

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상온에서 전압만 가해 원자 사이 상호작용을 없앨 방법을 찾은 건 처음이다. 이런 현상은 영하 200도 이하에서 저항이 0이 되는 초전도체에서는 흔히 발견되지만 실험 조건이 까다로워 실제 활용하긴 어려웠다. 이 교수는 “실생활 환경에서 원자 사이의 상호작용을 어떻게 없앨지 고민하다가 모든 분야에서 활용하는 전기를 떠올렸다”며 “전기를 쓰는 모든 반도체에 곧바로 적용할 수 있다”고 말했다.

이번 연구는 실험 없이 이론과 계산으로 알아낸 현상이라 검증에만 9개월이 걸렸다. 다른 연구에서 이를 뒷받침하는 실험 결과를 내며 실마리가 풀렸다. 권대웅 인하대 전기공학과 교수와 사이이프 살라후딘 미국 버클리대 전자공학 및 컴퓨터과학부 교수팀은 지난 4월 산화하프늄 두께를 1nm까지 줄여도 강유전체 성질을 갖는다는 연구결과를 국제학술지 ‘네이처’에 발표했다.

반도체 선폭을 줄이면 전극 등 부품도 줄여야 한다는 문제가 있다. 연구팀은 이 문제도 원자 반도체를 이용해 극복할 수 있다고 밝혔다. 전극을 줄이지 않아도 전압을 조금씩 조절하는 방법으로 전극 위에 놓인 여러 원자를 하나씩 움직일 수 있다. 이 교수는 “전극이 미세하지 않아도 원자를 개별적으로 읽어낼 수 있다는 뜻”이라고 말했다.

이 교수는 “초집적 반도체 분야에서 세계적 경쟁력을 확보하기 위한 기반을 마련했다”며 “원자에 정보를 저장하는 기술은 원자를 쪼개지 않는 한 반도체 산업의 마지막 저장 기술이 될 확률이 높다”고 말했다. 이번 연구는 국제학술지 사이언스에 3일 실렸다.

기존 반도체와 원자 반도체를 비교했다. 기존 반도체는 원자 수천개에 정보를 저장하지만 연구팀이 찾아낸 이론을 적용하면 원자 하나에도 정보를 저장할 수 있다. UNIST 제공