광주

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소비전력과 정보밀도를 획기적으로

개선할 수 있는 차세대 반도체 소재 개발

페로브스카이트 재료에서 선택적 산소어닐링 방법을 이용하여

격자 변형에 따라 단계적 조절 가능한 유전상수 확인

□ 국내 연구진이 기존 반도체 소자의 소비전력 및 정보밀도를 획기적으

로 개선할 수 있는 기술을 개발했다. 차세대 전자소자인 멤커패시터

및 멤컴퓨팅 시스템 개발에 기여할 것으로 기대된다.

□ 지스트(광주과학기술원) 신소재공학부 이상한 교수 연구팀은 반도체의

기본 소재로 활용되는 페로브스카이트 재료*의 격자** 변형을 이용하

여 유전상수***를 단계적으로 조절하는 데 성공했다.

∘ 유전상수는 재료의 고유한 성질이지만 유전체 재료에서 이러한 유전

상수가 조절된다면, 메모리소자의 저장단계가 조절 가능하므로 기존

반도체 소자의 소비전력 및 정보밀도를 획기적으로 개선할 수 있다.

* 페로브스카이트 재료: ABO3의 분자구조가 규칙적으로 배열된 재료를 말하며, 대

부분 유전특성을 갖는 재료로써 일반적인 커패시터나 메모리 등 반도체의 중요 소

재로 활용되고 있다.

** 격자: 원자나 분자, 이온이 일정한 패턴으로 모든 방향으로 규칙적으로 배열되어

있는 결정질 재료를 구성하는 최소 구성단위.

지스트(광주과학기술원) 보도자료

http://www.gist.ac.kr

보도 일시

배포 즉시 보도 부탁드립니다.

배포일

2021.11.01.(월)

보도자료

담당

홍보팀 조동선 팀장

062-715-2061

홍보팀 이나영 선임행정원

062-715-2062

연구자

신소재공학부 이상한 교수

062-715-2723

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*** 유전상수 : 전기장이 주어졌을 때 물질이 전하를 상대적으로 어느 정도 저장할

수 있는가를 나타내는 척도이다. 따라서 유전체 재료는 일반적으로 전자정보를 저

장하는 메모리 소자에 활용될 수 있다.

□ 페로브스카이트(ABO3) 구조의 일부 유전재료에서 격자변형에 따라 상

유전성에서 강유전성으로 상전이 될 수 있음이 최근 이론계산 논문들

을 통해 보고되었다. 그 중에서도 SrMnO3 (SMO)는 격자 변형에 따라

강유전성뿐만 아니라 강자성으로의 다중상변이가 가능한 재료이며, 이

러한 두 강성의 강력한 조합은 차세대 다중메모리소자로써 활용 가능

성이 높은 재료로 각광받아왔다.

∘ 그러나 기존의 선행연구들에서 이러한 재료를 실험적으로 구현하였을

때, 격자 변형에 따른 큰 누설전류 및 구조적 결함 발생으로 인해 직

접적인 강유전성 및 유전상수의 확인이 어려웠다.

□ 본 연구팀은 이러한 한계점을 극복하기 위해 선택적 산소어닐링 방법

을 고안하여 적용하였고, SMO 박막에서 최초로 격자인장에 따른 상유

전성에서 강유전성으로의 상변이 및 이에 따른 유전상수의 단계적 조

절이 가능함을 실험적으로 확인하였다.

∘ SMO 박막보다 더 큰 격자상수를 갖는 스트론튬 탄탈륨 알루미늄

(LSAT) 기판을 기반으로 펄스드 레이저 증착법을 이용하여 결정질 박

막을 형성시킴으로써 SMO의 격자인장을 유도하였다. 또한 박막의 두

께를 조절함으로써 격자 인장률을 최대 2%까지 단계적으로 조절하였다.

∘ 나아가 SMO 박막 위 SrRuO3 보호층을 준비하고 고온의 산소분위기에

서 어닐링 진행 후 보호층을 제거하는 선택적 산소어닐링 방법을 고안

하여 이를 통해 SMO 박막의 한계점인 격자변형에 따른 큰 누설전류

및 구조적 결함을 해결하여 구조적으로 안정된 박막을 구현하였다.

□ 이상한 교수는 “이번 연구성과는 차세대 전자소자로 각광받고 있지만

아직 재료개발단계에 멈춰있는 멤커패시터 개발의 단초를 제공할 수

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있다는데 의의가 있다”면서 “격자 인장에 따라 단계적으로 조절 가

능한 유전체 재료의 개발은 향후 차세대 반도체 소자 개발을 선도할

것으로 기대된다”고 말했다.

□ 지스트 이상한 교수가 주도하고 안현지 박사(제1저자)가 수행한 이번

연구는 한국연구재단이 지원하는 미래소재디스커버리 사업의 지원을

받아 수행되었으며, 재료분야 저명 학술지인 ‘NPG Asia Materials(NPG

아시아 머터리얼즈, IF=10.481)’에 하이라이트 논문으로 선정되어 2021

년 10월 29일 온라인 게재되었다. <끝>

논문의 주요 내용

1. 논문명, 저자정보

- 저널명 : NPG Asia Materials (2020년 기준 IF=10.481)

- 논문명 : Experimental realization of strain-induced room-temperature

ferroelectricity in SrMnO3 films via selective oxygen annealing

- 저자 정보 : 안현지 (제1저자, GIST), 이상한 (교신저자, GIST)

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페로브스카이트 재료

○ ABO3의 분자구조가 규칙적으로 배열된 재료를 말하며, 대부분 유전특성을 갖는

재료로써 일반적인 커패시터나 메모리 등 반도체의 중요 소재로 활용되고 있다.

격자

○ 원자나 분자, 이온이 일정한 패턴으로 모든 방향으로 규칙적으로 배열되어있는

결정질 재료를 구성하는 최소 구성단위.

유전상수

○ 전기장이 주어졌을 때 물질이 전하를 상대적으로 어느 정도 저장할 수 있는가를

나타내는 척도이다. 따라서 유전체 재료는 일반적으로 전자정보를 저장하는

메모리 소자에 활용될 수 있다. 유전상수는 재료의 고유한 성질이지만, 유전체

재료에서 이러한 유전상수의 조절된다면, 메모리소자의 저장단계가 조절

가능하므로 기존 반도체 소자의 소비전력 및 정보밀도를 획기적으로 개선할 수

있다.

용 어 설 명

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그 림 설 명

[그림1] 격자 인장으로 인해 조절된 강유전성 및 유전특성이 조절된 페로브스카이트

재료가 차세대 메모리소자로 활용되었을 때의 모식도

* 가운데 확대된 하단 그림: 페로브스카이트 구조의 스트론튬 망간 옥사이드의 격자 인장으로

인해 망간 양이온(붉은색)의 한 방향으로의 치우침으로 강유전성이 발생하는 과정.

[그림2] 본 연구팀이 제안한 격자 인장된 SrMnO3 박막의 누설전류 및 구조결함을

효과적으로 줄일 수 있는 선택적 산소어닐링 방법의 모식도