안윤호 교수

차세대 비휘발성 메모리 소자로 주목받고 있는 ‘강유전체 기반 FeRAM’이 초소형화 한계에 직면한 가운데, 국내 연구진이 이를 극복할 수 있는 물리적 단서를 정밀하게 밝혀내며 학계의 주목을 받고 있다.

한국기술교육대학교(총장 유길상) 교양학부 안윤호 교수는 경희대학교 손종역 교수 연구진과의 공동연구를 통해, 강유전체 물질로 각광받는 하프늄-지르코늄 산화물(Hf₀.₅Zr₀.₅O₂, 이하 HZO)의 에피택셜 나노점(nanodot)을 직접 제작하고, 초미세 구조에서의 분극 스위칭 특성을 세계 최고 수준의 정밀도로 분석해냈다.

연구진은 직경 30~50nm 수준의 HZO 나노점에서 분극 도메인 벽의 이동 속도와 스위칭에 필요한 활성화 전기장을 체계적으로 측정했다. 특히, 두께 10nm 이하의 초박막에서도 안정적인 분극 스위칭이 가능하다는 점을 입증했으며, 스위칭 속도가 인가 전압에 따라 지수함수적으로 증가하는 ‘Merz 법칙’을 실험적으로 검증해냈다.

또한, 나노점의 형상비(aspect ratio)를 정밀하게 조절함으로써 스위칭 장벽과 활성화 전기장을 제어할 수 있는 새로운 설계 원리를 제시했다. 이는 초소형 메모리 소자 설계에 있어 매우 중요한 설계 지침으로 평가받고 있다.

이번 연구는 단결정 수준의 강유전체 나노점에서 분극 스위칭 거동을 정량적으로 규명한 세계적으로도 드문 사례로, 기존의 벌크나 박막 기반 연구를 뛰어넘는 새로운 이해를 제공한다는 점에서 의미가 크다. 이에 따라 HZO 기반 FeRAM 소자의 스케일링 한계를 극복하고, 실용화에 한 걸음 더 다가설 수 있는 계기가 될 것으로 기대된다.

안윤호 교수는 이번 논문의 제1저자이자 공동 교신저자로 참여했으며, 해당 성과는 물리재료과학 분야 최고 권위 학술지인 Advanced Functional Materials (IF = 19.0, Wiley 발행)에 2025년 8월 27일자로 온라인 게재되었다. 논문 제목은 Scaling Effects on Ferroelectric Polarization Switching and Activation Electric Field in Epitaxial Hf₀.₅Zr₀.₅O₂ Nanodots이다.