차세대 반도체 메모리의 소재로 주목을 받고 있는 강유전체는 차세대 메모리 소자와 작은 물리적 변화를 감지하는 센서로 활용되는 등 중요성이 커지고 있다. 한국과 유럽 공동 연구진이 반도체의 핵심 소자가 되는 강유전체를 화학물질없이 식각할 수 있는 기술을 최초로 개발하는데 성공했다.

KAIST는 홍승범(사진) 신소재공학과 교수가 스위스 제네바대와 국제 공동 연구를 통해 강유전체 표면의 비대칭 마멸현상을 세계 최초로 규명, 이를 활용해 혁신적인 나노 패터닝 기술을 개발했다고 26일 밝혔다.

연구팀은 강유전체 소재의 표면 특성에 관한 연구에 집중했다. 원자간력 현미경을 활용해 다양한 강유전체의 트라이볼로지(Tribology, 마찰·마모) 현상을 관찰했고, 강유전체의 전기적인 분극 방향에 따라 마찰되거나 마모되는 특성이 다르다는 것을 세계 최초로 발견했다.

연구팀은 강유전체의 트라이볼로지 특성이 나노 단위에서 강한 응력이 가해질 때 발생하는 변전 효과로 인해 강유전체 내부의 분극 방향에 따른 상호작용으로 트라이볼로지 특성이 바뀌게 된다는 것을 발견했다. 또한 이러한 새로운 강유전체 트라이볼로지 현상을 소재의 나노 패터닝에 응용했다. 이러한 패터닝 방식은 기존의 반도체 패터닝 방식과는 다르게 화학물질과 고비용의 리소그래피 장비가 필요하지 않고, 기존 공정 대비 매우 빠르게 나노 구조를 제작할 수 있는 장점이 있다.

패트리샤 파루치 제네바대 물리학과 교수는 “변전 효과를 통해 강유전체의 도메인이 분극 방향에 따라 서로 다른 표면 특성을 나타내는 것을 활용함으로써, 다양하고 유용한 기술들을 개발할 수 있을 것”이라고 말했다.

홍 교수는 “이번에 개발된 패터닝 기술은 기존 반도체 공정에서 쓰이는 패터닝 공정과 달리 화학물질을 사용하지 않고, 매우 낮은 비용으로 대면적 나노 구조를 만들 수 있어 산업적으로 활용될 수 있는 잠재력을 가지고 있다”고 했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 1월 9일자에 실렸다.

구본혁 기자