좌측부터 박성원 박사과정생(1저자), 조병기 교수(교신저자), 변재덕 박사(공동 1저자)

조병기 단국대 교수 연구팀(화학과)이 신태주 UNIST 교수팀과 공동으로 초고밀도 메모리 시대를 앞당길 ‘강유전 액정 소재’를 세계 최초로 개발했다.

현재 활용되는 반도체 메모리 기술은 주로 디램(DRAM)이나 낸드플래시(NAND Flash) 메모리 이다. 그러나 기존 메모리는 전원이 꺼지면 데이터가 소실되거나 집적도가 낮아 고밀도 메모리 개발에 기술적인 한계가 있었다.

이에 따라 관련 업계에서는 강유전성(ferroelectricity)을 활용한 차세대 초고밀도 메모리 기술 연구가 활발히 진행되고 있다.

강유전성은 외부의 전기장이 없어도 전하가 한쪽으로 쏠린 분극 상태를 유지하는 성질을 말하며 전기장에 따라 소재의 분극이 전환될 수도 있고 전기장이 사라진 이후에도 그 상태를 유지할 수 있는 특성이 있다.

이와 같은 특성을 지닌 강유전체(ferroelectric)는 전원이 꺼진 이후에도 정보를 유지할 수 있어, 저전력 비휘발성 메모리 소자로 응용이 가능하다.

그러나 메모리 소자의 크기가 작아질수록, 상온에서 분극의 성질을 유지하는 것이 어려워 미세 공정을 구현하는데 어려움이 있었다. 특히 기존 강유전체는 전원이 제거된 후 일부 정보가 사라지거나 변형되는 문제가 있었다.

조 교수팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 '트라이아졸' 기반 화합물과 액정의 특성을 활용한 나선형 원기둥 구조의 새로운 강유전체를 개발했다.

이 구조는 상온에서도 안정적으로 분극을 유지하고 필요할 때 분극 방향을 바꿀 수 있어 전원이 끊겨도 데이터 저장이 가능하다.

특히 원기둥의 지름이 3나노미터(nm, 10억분의 1미터)에 불과해 작은 면적에 많은 셀 배치가 가능한 장점이 있어 전력 소모가 적은 고밀도 차세대 메모리 소자에 적합하다.

조병기 교수는 “이번에 개발한 소재는 안정적인 나선형 구조 구현을 통해 정보를 완벽하게 유지할 수 있어 FeRAM(강유전체 램)과 같은 고성능 메모리 제작에 유리하다”며 “향후 전자 종이, 유연한 압전 센서, 웨어러블 기기 등 다양한 분야로의 상용화가 가능하다”고 밝혔다 .

이번 연구 성과는 화학 분야의 국제 학술지인 ‘Angewandte Chemie International Edition (IF = 16.1)’에 「Helical Columnar Liquid Crystal Exhibiting Both Polarization Retention and Ferroelectric Switching at Room Temperature(상온에서 완전한 분극 유지와 강유전 스위칭을 구현하는 나선형 컬럼형 액정)」이라는 제목으로 2025년 5월에 게재됐다.