[일간투데이 양보현 기자] 울산과기원(UNIST) 에너지 및 화학공학부 이준희 교수팀은 3일 국제학술지 '사이언스'(Science)에서 반도체에 널리 사용되는 산화하프늄(HfO₂)에 전기를 가할 때 나타나는 원자간 상호작용이 사라지는 새로운 현상을 발견하고 이를 활용해 산소 원자 4개에 1비트를 저장할 수 있음을 입증했다고 밝혔다.

이 연구 결과는 1비트를 원자 간 간격 정도인 0.5㎚(나노미터:10억분의 1ｍ)에 저장, 반도체 집적도를 현재보다 1천배 높일 수 있음을 의미하는 것으로, 후속 연구를 통해 실증화·상용화가 이뤄지면 반도체 산업 패러다임을 바꿀 가능성이 있다는 평가를 받는다.

현재 실리콘 기반 반도체는 소형화·집적화 한계에 직면했다. 1비트 저장에 원자 수천개 이상이 결합한 수십~수백㎚ 크기의 '도메인'(domain)이 필요한 것으로 알려져 있다. 이 때문에 메모리 소자의 단위셀 크기는 10㎚ 수준에 멈춘 상태다.

단위셀 크기를 더 줄이기 어려운 것은 반도체 공정이 수십 나노미터 이하로 내려가면 정보 저장·처리 등 반도체 물질의 능력이 약해지다가 모두 사라지는 '스케일 현상'(scale) 발생하기 때문이다.

교수팀은 이 연구에서 현재 반도체 트랜지스터의 게이트 전압 전극물질로 사용되는 산화하프늄에 전압을 걸면 원자들을 스프링처럼 강하게 묶던 상호작용이 완전히 사라지는 새로운 물리현상을 발견하고, 이를 메모리 반도체에 적용해 집적도를 1천배 향상할 수 있음을 입증했다.

연구팀은 이 결과를 적용하면 원자에 직접 정보를 저장, 기존 메모리 소재로는 불가능하다고 여겼던 작은 반도체뿐 아니라 초집적·초절전 인공지능 반도체 구현도 가능할 것으로 전망한다.

특히 산화하프늄은 기존 실리콘 반도체 공정에서 이미 흔하게 사용되는 물질이어서 상업화 적용 가능성이 높고 파급력도 클 것으로 기대하고 있다. 연구팀은 이 연구 결과를 반도체에 적용하는 기술에 대한 특허를 출원하고 기업들과 후속 연구를 추진하고 있다.