DGIST김영욱 교수팀, 인위적 변형 없는 새로운 ‘초절전 메모리’ 원리 규명

DGIST(총장 이건우) 화학물리학과 김영욱 교수 연구팀이 KAIST 조길영 교수 연구팀과의 공동연구를 통해, 그래핀과 같은 아주 얇은 물질을 샌드위치처럼 겹쳐서 전기로 정보를 쓰고 지울 수 있는 새로운 메모리 원리를 발견했다. 이번 연구 성과는 전기를 거의 쓰지 않는 초저전력 전자 소자와 미래형 양자 컴퓨터 부품 개발에 기여할 것으로 기대된다.

우리가 매일 쓰는 스마트폰이나 컴퓨터가 더 얇고 가벼워지려면, 그 안에 들어가는 반도체 부품의 두께도 획기적으로 줄어들어야 한다. 하지만 기존에 정보를 저장하는 '강유전' 물질들은 두께가 얇아지면 성능이 급격히 떨어지거나, 복잡한 공정이 필요하다는 한계가 있었다. 이 때문에 기존 강유전 물질을 쓰지 않고도 아주 얇은 소재에서 메모리 성질(강유전성)을 구현할 수 있는 새로운 방법에 대한 연구가 활발히 진행돼왔다.

연구팀은 강유전성이 전혀 없는 소재들을 결합해 인공적으로 강유전성을 만들어내는 역발상으로 이 문제를 해결했다. 꿈의 신소재라 불리는 '그래핀'과 'α-RuCl₃' 사이에 아주 얇은 절연체(hBN)를 샌드위치처럼 끼워 넣는 획기적인 방법을 고안했다. 놀랍게도 이 구조에서는 계면의 전하들이 재배열되며 마치 강유전 물질처럼 정보를 저장할 수 있는 '전기 자석(쌍극자)'들이 저절로 생겨났으며, 마치 스위치를 켜고 끄듯이 전기로 정보를 기록하고 지울 수 있음을 확인했다.

연구팀이 개발한 소자는 영하 약 243도(30 K) 부근에서 가장 안정적으로 작동했으며, 한 번 저장된 정보는 전원을 꺼도 5개월 이상 유지되는 탁월한 '비휘발성'을 보였다. 또한, 이 현상은 외부 자석의 힘(자기장)이나 방향에 영향을 받지 않고 오로지 전기적인 상호작용으로만 제어할 수 있어, 기존 방식보다 훨씬 안정적이고 효율적이다. 이는 구조적 변형 없이 단순한 적층만으로도 강유전성을 구현할 수 있음을 입증한 성과다.

김영욱 교수는 “이번 연구는 인위적인 구조적 변형 없이도, 단순히 물질을 쌓아 올리는 것만으로 전기를 제어하는 새로운 물성을 발견했다는 점에서 의미가 크다”며, “향후 이 기술을 활용해 극저온에서 작동하는 양자 컴퓨터의 메모리 소자나 초절전 차세대 반도체 개발에 속도를 낼 수 있을 것”이라고 말했다.

한편, 이번 연구는 DGIST 화학물리학과 김소연 박사가 제1저자로 참여했으며, KAIST 조길영 교수 연구팀과의 협력을 통해 진행됐다. 연구 결과는 국제학술지 'Nature Communications'에 2026년 1월 6일자로 게재됐으며, 한국연구재단과 기초과학연구원 등의 지원을 받아 수행됐다.