울산과학기술원(UNIST)이 강유전체 내부의 도메인 벽이 기존 통념과 달리 매우 안정적인 상태로 존재할 수 있다는 사실을 이론적으로 증명했다.

반도체소재부품대학원 이준희 교수팀은 강유전체의 '대전된 도메인 벽'이 에너지가 가장 낮다고 여겨지던 벌크 영역보다 더 안정적으로 형성될 수 있음을 양자역학 기반 계산으로 밝혀냈다고 22일 발표했다.

차세대 반도체 소재인 강유전체는 외부 전기장을 통해 물질 내부 분극 방향을 조절할 수 있는 특성을 지닌다. 이 소재에는 서로 다른 분극 방향이 접하는 경계인 도메인 벽이 생기는데, 지금까지는 형성 에너지가 크고 쉽게 소멸하는 불안정한 구조로 인식돼 왔다.

연구팀은 산화하프늄 강유전체의 특정 결정 방향에서 나타나는 대전된 도메인 벽이 벌크 영역 대비 더 낮은 총 에너지 상태를 보일 수 있다는 점을 이론적으로 검증했다.

이런 고체물리학 상식에 어긋나는 현상은 '음의 구배 에너지'라는 독특한 물리적 특성에서 비롯된다. 일반적으로 분극 방향이 급변하는 도메인 벽에서는 구배 에너지가 양수로 나타나 벽 생성을 억제한다.

그러나 산화하프늄의 경우 특정 진동 모드에서 이 에너지가 음수로 전환돼 도메인 벽 형성을 촉진하는 환경이 조성된다.

음의 구배 에너지가 대전으로 발생한 정전기 에너지를 부분적으로 상쇄하고, 잔여 에너지를 도핑으로 보상하면 벌크보다 안정적인 도메인 벽을 만들 수 있다는 것이 연구팀의 결론이다.

이준희 교수는 "강유전체 내 대전된 도메인 벽이 에너지적으로 안정화될 수 있는 조건을 이론적으로 규명한 연구"라며 "도메인 벽의 유무를 각각 0과 1의 정보로 저장하는 고밀도 메모리 소자 개발에 단서"가 될 것이라고 설명했다.

이번 연구에는 파완 쿠마르 연구원이 제1저자로, 딥티 굽타 연구원이 공동저자로 참여했다. 연구 성과는 물리학 분야 최고 권위 학술지인 피지컬 리뷰 레터스에 지난 4월 22일자로 게재됐다.

연구는 과학 기술정보통신부 한국연구재단, 산업통상자원부 한국산업기술진흥원의 지원으로 수행됐다.