원자 수준 관찰·조작 통합…차세대 메모리 핵심 기술
AI 결합 분석 확대…반도체·에너지 소재 경쟁력 기대

초소형 반도체와 차세대 메모리 개발의 핵심인 나노 전기 제어 기술에 새로운 연구 방향이 제시됐습니다. 원자 단위에서 전기적 특성을 관찰하고 직접 조작할 수 있는 분석 체계가 정리되면서 소재 설계 방식에도 변화가 예상됩니다.

KAIST는 8일, 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 나조 수준에서 전기적 상태를 정밀하게 분석하고 제어하는 원자간력 현미경(Atomic Force Microscopy, AFM) 기반 강유전체 연구 전략을 체계적으로 정리한 리뷰 논문을 발표했습니다.

강유전체는 외부 전원이 없어도 전기적 상태를 유지하는 특성을 지녀 차세대 메모리와 센서의 핵심 소재로 꼽힙니다. 다만 크기가 매우 작아 내부 변화를 직접 관찰하고 제어하는 데 어려움이 있었습니다.

연구팀은 원자간력 현미경을 활용해 이러한 문제를 풀었습니다. AFM은 미세 탐침으로 표면을 스캔해 원자 수준 정보를 읽어내는 장치로 나노 세계를 들여다보는 '눈'이자 동시에 직접 조작까지 가능한 '손' 역할을 합니다.

이번 연구에서는 AFM을 기반으로 여러 분석 기법을 통합했습니다. 전기-기계적 반응을 측정하는 압전반응 힘 현미경(PFM), 표면 전위를 분석하는 켈빈 탐침 힘 현미경(KPFM), 전류 흐름을 측정하는 전도성 AFM(C-AFM)을 결합해 물질의 구조와 전하 분포를 입체적으로 파악할 수 있는 체계를 구축했습니다.

단순 관찰을 넘어 제어 기능도 강조됐습니다. 탐침을 이용해 나노 영역에 직접 전기 자극이나 압력을 가해 물질의 성질을 바꾸고, 데이터 저장 영역을 설계하는 방식까지 제시됐습니다. 연구팀은 이를 통해 현미경이 '측정 장비'를 넘어 '공정 도구'로 확장됐다고 설명했습니다.

이 기술은 이황화몰리브덴과 같은 2차원 소재와 초박막 하프늄지르코늄산화물 계열 등 차세대 반도체 물질의 성능 분석과 개선에도 활용될 수 있습니다.

연구팀은 향후에는 고속 원자력간 현미경과 인공지능을 겹합해 사람이 일일이 분석하기 어려운 복잡한 나노 구조를 빠르게 해석하고 최적의 소재 설계까지 이어질 수 있다는 설명입니다.

홍승범 교수는 "AFM이 단순 관찰 장비를 넘어 신소재를 설계하고 제어하는 핵심 기술로 자리 잡고 있다"며 "AI 기반 분석 기술은 반도체와 에너지 소재 분야 경쟁력을 좌우할 것"이라고 말했습니다.

이번 연구 성과는 영국 왕립화학회가 발행하는 국제학술지, 재료화학 저널 C(Journal of Materials Chemistry C) 2월 26일 자 표지 논문으로 실렸습니다.