▲ 고려대학교 화공생명공학과 조진한 교수.

국내 연구팀이 직경 10나노미터(nm)가 되지 않는 바륨 티타네이트(BaTiO₃) 나노입자로 다층박막을 만들고 이를 이용해 비휘발성 저항 변환성 메모리 소자를 구현해냈다.

고려대학교 화공생명공학과 조진한 교수 실험실의 김영훈 박사과정, 국경윤 석사과정 연구원(공동 제1저자)이 주도적으로 연구한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업(도약) 등의 지원으로 수행됐고, 나노재료 분야 국제학술지인 ACS NANO 최신호(3월 25일자)에 게재됐다.

바륨 티타네이트는 전기장에 의해 자발적 분극 스위칭이 가능한 강유전 특성을 갖는 재료로 저항 변환성 메모리 및 에너지 하베스팅 압전소자 등에 적용될 수 있다. 그리고 비휘발성 저항 변환성 메모리 소자는 전압에 따라 저항이 변하는 특성을 읽기(read)와 쓰기(write) 신호로 이용하는 메모리 소자로 기존 플래쉬 메모리보다 구동속도가 빠르고 낮은 전압으로도 작동하는 등의 장점 때문에 차세대 비휘발성 메모리 소자로 가능성이 대두되고 있다.

바륨 티타네이트는 페로브스카이트의 하나로 강유전성을 가져 다층박막으로 제조할 경우 메모리, 압전소자, 열전소자 등 다양하게 응용될 것으로 주목받고 있지만 가공성이 낮아 수 마이크로미터 두께보다 얇은 초박막으로 만드는 데 한계가 있었다.

특히 전기소자의 소형화와 고집적화에 따라 나노재료의 특성 변화와 재료간의 흡착 메커니즘 등을 이해하는 것이 관건이었다.

연구팀은 균일하고 높은 결정성을 갖는 약 8㎚ 크기의 바륨 티타네이트 나노입자를 합성하고 이를 이용해 나노미터 두께의 다층박막을 제작했다.

상온에서 바륨 티타네이트 나노입자 표면의 티타늄 이온과 아민 그룹을 갖는 고분자간의 흡착을 이용해 다층박막을 만든 것이다.

나아가 연구팀은 만들어진 다층박막을 이용해 비휘발성 저항 변환 메모리 소자로서의 구현 가능성을 확인했다.

2V 이하의 상대적으로 낮은 전압에서 103의 ON/OFF 전류비를 나타내는 등 전형적인 비휘발성 저항 변환 메모리 소자의 특성을 보인 것이다.

특히 박막의 두께를 조절하면 원하는 강유전성 및 비휘발성 메모리 소자 성능을 갖는 전기적 소자로의 적용이 가능하다는 설명이다.

연구팀은 페로브스카이트 나노입자 기반의 다층박막은 강유전성 메모리, 에너지 하베스팅 압전 및 열전 소자 등 다양한 전기적 소자로의 적용이 가능할 것으로 내다보고 있다.

더불어 연구팀은 기존 박막보다 수십 배 이상 얇게 만들 수 있는 용액공정을 개발함으로써 바륨 티타네이트의 응용 가능성을 더욱 넓힐 것으로 기대된다고 밝혔다.

▲ 바륨 티타네이트 페로브스카이트의 격자 구조.