▲ 포항가속기연구소에서 실시간 GIWAXS로 측정한 HZO 박막의 방사광 X선 회절 패턴 [출처=서울대학교 공과대학]서울대(총장 유홍림)에 따르면 공과대 재료공학부 박민혁 교수 연구팀은 성균관대 김윤석 교수, 전남대 이영환 교수, 포항가속기연구소 전태열 박사 연구팀과 함께 차세대 비휘발성 메모리 소재로 주목받는 하프니아-지르코니아(HZO)의 열처리 과정에서 정보를 기억하는 성질을 지닌 강유전상이 형성되는 전 과정을 실시간으로 추적했다.그 결과 산소 빈자리의 양에 따라 결정화 온도와 최종 결정상이 달라지고, 메모리 저장 성능에도 큰 차이가 난다는 사실을 밝혔다. 이번 연구 결과는8 월24일 국제 저명 학술지 Advanced Functional Materials에 게재됐다.강유전체는 전원이 꺼진 뒤에도 전기적 상태를 유지할 수 있는 물질이다. 이 때문에 전원이 꺼져도 정보를 보존하는 비휘발성 메모리와 저전력 반도체 소자의 핵심 후보 소재로 꼽힌다.특히 하프니아계 강유전체는 기존 실리콘 반도체 공정과 호환성이 높으면서 수 나노미터 두께에서도 강유전성을 구현할 수 있어 차세대 고집적 메모리 소재로 활발히 연구되고 있다.문제는 HZO가 처음부터 강유전체의 성질을 갖는 것은 아니라는 점이다. HZO에서 강유전성을 만드는 사방정상은 원자 배열이 비대칭인 구조로, 가장 안정한 상태는 아니지만 특정 공정 조건에서 유지되는 ‘준안정 결정상’이다.연구진은 특히 열처리 후의 최종 구조보다 비정질 박막에서 결정이 처음 만들어지고 이후 강유전상을 비롯한 결정상이 선택되는 과정에 초점을 맞췄다. 기존의 열처리 전후 분석만으로는 이러한 변화를 정확히 구분하기 어려웠다.연구의 핵심 변수는 ‘산소 빈자리’였다. 산소 빈자리는 HZO를 구성하는 산소 원자가 제자리에서 빠져나가 생기는 원자 수준의 작은 결함이다.연구진은 원자층증착 공정에서 오존 주입량을 달리해 산소 빈자리 농도가 서로 다른 10nm 두께의 HZO 박막을 제작하고, 산소 빈자리의 양에 따라 결정화 경로가 어떻게 달라지는지를 비교했다.이후 포항가속기연구소의 방사광을 이용한 실시간 스침각 광각 X선 산란(GIWAXS) 분석을 통해 비정질 상태의 박막이 가열 과정에서 결정으로 변하고, 냉각을 거쳐 최종 구조로 안정화되는 전 과정을 연속적으로 추적했다.온도에 따른 격자 간격과 열처리 후 박막에 남는 미세한 늘어남이나 줄어듦인 ‘잔류 변형’을 구분해 분석하고, 결정립의 크기와 성장 방향, 각 결정상의 상대적 비율도 함께 비교했다.이를 통해 산소 빈자리의 양이 결정화 시점부터 결정립 성장, 결정상 선택, 최종 전기적 특성까지 어떻게 영향을 미치는지를 하나의 흐름으로 연결했다.스침각 광각 X선 산란(GIWAXS)은 X선을 얇은 박막에 비스듬히 쏴 원자 배열의 변화를 회절 무늬로 읽는 분석법을 말한다.분석 결과, 산소 빈자리가 많을수록 HZO의 결정화는 늦어졌다. 산소 빈자리가 많은 박막에서는 원자 배열의 재정돈과 초기 결정핵 형성이 방해돼 더 높은 온도에서야 결정화가 시작됐다.결정화 이후에도 결정립의 수평 방향 성장이 억제됐으며, 강유전성을 나타내는 사방정상보다 전기적 분극을 만들지 않는 비강유전성 정방정상이 상대적으로 오래 유지됐다.반대로 산소 빈자리가 적은 박막에서는 결정화에 필요한 에너지 장벽이 낮아지고 결정립 성장이 원활하게 진행됐다. 그 결과 더 낮은 온도에서 결정화가 시작됐다.정보를 기억하는 데 필요한 강유전성 사방정상이 보다 유리하게 형성됐다. 원자힘현미경을 이용한 국소 압전반응과 전기적 분극 측정에서도 이러한 구조 분석과 일치하는 경향이 나타났다.차이는 수치에서도 뚜렷했다. 산소 빈자리가 적은 박막은 산소 빈자리가 많은 박막보다 결정화 시작 온도가 30℃ 낮았다. 또한 같은 400℃에서 메모리의 0과 1을 구분하는 저장 신호를 나타내는 전환 가능 분극량(2Pr)도 약 11배 컸다.이번 연구는 산소 빈자리를 단순히 제거해야 하는 결함이 아니라, HZO 박막의 결정화 시점과 강유전상 형성 경로를 조절하는 핵심 공정 변수로 제시했다는 데 의미가 있다.특히 더 낮은 온도에서 강유전상을 형성할 수 있다는 점은 반도체 공정 측면에서도 주목할 만하다. 낮은 온도에서 강유전성을 확보하면 이미 형성된 배선과 소자의 열 손상을 줄여야 하는 반도체 후공정에 유리하기 때문이다.이번 연구에서 밝혀낸 산소 빈자리와 결정화 경로의 관계는 향후 임베디드 비휘발성 메모리와 3차원 집적 메모리 등 차세대 메모리 기술에 활용돼 스마트폰·자동차·사물인터넷 기기 등에서 전원이 꺼져도 정보를 안정적으로 유지하는 고집적·저전력 메모리 개발에 기여할 것으로 기대된다.공동 제1저자인 정현우 서울대 석박사통합과정생은 산화하프늄계 강유전체의 산소 빈자리·응력 제어와 방사광 기반 실시간 구조 분석을 연구하고 있다. 향후 반도체 공정 및 메모리 소자 연구개발 분야에서 차세대 비휘발성 메모리 기술 개발을 이어갈 계획이다.공동 제1저자인 이재욱 서울대 석박사통합과정생은 산화하프늄계 강유전체의 저온 결정화 공정과 신규 전극 소재 개발 기술을 연구하고 있다. 향후 반도체 공정 및 메모리 소자 분야에서 고성능·저전력 차세대 비휘발성 메모리 기술 개발을 이어갈 계획이다.한편 이번 연구는 한국연구재단을 통한 과학기술정보통신부의 지원을 받아 수행됐다(RS-2025-12872969, RS-2024-00444182).박민혁 교수는 “이번 연구는 산소 빈자리를 단순히 제거해야 하는 결함이 아니라, HZO 박막의 결정화 시점과 강유전상 형성 경로를 설계하는 핵심 변수로 규명했다는 데 의미가 있다”며 “실시간 방사광 분석을 통해 열처리 과정에서 일어나는 구조 변화를 직접 추적함으로써, 최종 전기적 특성이 형성되는 원인을 보다 명확하게 설명할 수 있었다”고 말했다. 참고 자료- 논문명/저널: Oxygen-Vacancy-Regulated Crystallization and Ferroelectric Phase Stabilization in Hf0.5Zr0.5O2 Thin Films, Advanced Functional Materials- DOI: 10.1002/adfm.77918

▲ 서울대학교 공과대학 재료공학부 정우철 교수 연구팀의 논문이 게재된 Energy & Environmental Science의 Outside Back Cover 이미지. 금속 나노촉매에 의한 고체산화물 전지 전극의 산소교환반응 촉진 원리를 형상화했다 [출처=서울대학교 공과대학]서울대(총장 유홍림)에 따르면 공과대 재료공학부 정우철·한정우 교수 연구팀이 KAIST 김상욱 교수 연구팀, 한국기초과학지원연구원(KBSI) 정범균 박사 연구팀과 공동연구를 수행해 고체산화물 전지의 성능을 높이는 은(Ag) 나노촉매의 작동 원리를 규명했다.전지가 작동하는 방향에 따라 산소반응이 일어나는 위치와 메커니즘이 달라진다는 사실을 확인했다. 고체산화물 전지는 산소 이온의 이동을 이용해 전기를 생산하거나 물을 분해해 수소를 만드는 차세대 에너지 장치다.전기와 열을 동시에 생산하는 건물과 공장의 분산형 발전 시스템부터 재생에너지 기반 수소 생산까지 폭넓게 활용될 수 있어 친환경 전력 생산과 수소에너지 활용 확대의 핵심 기술로 주목받고 있다.이번 연구 결과는 재료·화학 분야 세계적 권위의 국제학술지 ‘Energy & Environmental Science’(IF:30.5)에 게재됐으며 우수성을 인정받아 Outside Back Cover 논문으로 선정됐다.고체산화물 전지의 성능과 수명은 공기극에서 산소가 반응하는 속도에 크게 좌우된다. 지금까지는 실제 전극 내부가 복잡해 나노촉매가 정확히 어느 위치에서 어떤 방식으로 반응을 돕는지 확인하기 어려웠다.기존 연구를 통해 금속 나노촉매가 전지 성능을 높인다는 사실은 알려져 있었지만, 촉매의 표면과 촉매가 전극과 맞닿는 경계 중 어느 부분이 실제 반응을 주도하는지는 명확하지 않았던 것이다.또한 전기를 생산하는 과정과 수소를 생산하는 과정에서 촉매가 같은 방식으로 작동하는지도 명확히 밝혀지지 않았다.연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 구조가 복잡한 실제 전극 대신 구조와 조성이 일정한 모델 전극을 제작하고 크기와 간격이 균일한 금속 나노입자를 규칙적으로 배열해 촉매의 역할을 정밀 분석했다.먼저 페로브스카이트 산화물로 만든 얇은 전극 위에 은, 코발트, 팔라듐, 백금 등 다양한 금속 나노촉매를 올려 산소반응을 얼마나 효과적으로 촉진하는지 비교했다. 그 결과, 은 나노촉매가 가장 우수한 산소반응 촉진 효과를 보였다.이어 은 나노입자의 크기와 배열을 체계적으로 바꾼 모델 플랫폼을 제작해 반응 위치를 분석한 결과, 전기를 생산하는 산소환원반응에서는 은 나노입자와 전극이 맞닿는 경계가 길수록 반응이 빨라졌다.이는 은과 전극이 만나는 경계 부분이 주요 반응 장소라는 것을 의미한다. 반대로 수소를 생산하는 방향의 산소발생반응에서는 은 나노입자의 표면이 넓을수록 반응이 활발해졌다. 이를 통해 은 입자의 표면 자체가 중요한 반응 장소로 작용한다는 사실을 확인했다.연구팀은 전압과 산소 농도를 조절하면서 두 반응이 진행되는 과정을 자세히 비교했다. 그 결과, 은 나노촉매는 산소환원반응에서는 산소가 전자를 받아들이는 과정을 돕고 산소발생반응에서는 산소 원자들이 서로 결합해 산소 분자로 빠져나가는 과정을 촉진하는 것으로 나타났다.또한 연구팀은 전지가 작동하는 동안 전극 표면의 변화를 관찰할 수 있는 방사광 분석과 원자 수준의 이론 계산을 함께 수행했다.이를 통해 은 나노촉매가 전극 표면의 전자 상태를 변화시켜 산소환원반응을 촉진하고, 산소발생반응에서는 산소 원자들이 결합하기 좋은 반응 환경을 제공한다는 사실을 확인했다.이번 연구는 나노촉매가 단순히 반응 속도를 높이는 첨가제가 아니라 작동 조건에 따라 반응 위치와 메커니즘까지 달라질 수 있음을 규명했다는 점에서 의미가 있다.특히 고체산화물 연료전지와 수전해전지의 공기극을 설계할 때 촉매 표면과 촉매-전극 계면을 각각 최적화해야 한다는 새로운 설계 방향을 제시했다.이러한 설계 원리가 실제 전지에 적용되면 건물·공장용 분산발전 시스템의 발전 효율을 높이고 재생에너지로 수소를 생산하는 수전해 장치의 전력 소비를 줄이는 데 기여할 것으로 기대된다.나아가 동일한 장치에서 전력 생산과 수소 생산을 모두 수행하는 가역형 고체산화물 전지의 상용화를 앞당겨 가정과 산업 현장에서 에너지를 보다 효율적으로 생산·저장하는 기반 기술로 활용될 전망이다.또한 연구팀이 개발한 정밀 나노입자 배열 모델 전극은 촉매가 실제로 어느 위치에서 어떤 방식으로 작동하는지를 구분해 분석할 수 있는 연구 플랫폼이다.이 플랫폼은 고체산화물 전지뿐 아니라 수소 생산 장치, 다양한 전기화학 에너지 변환 장치, 산소 분리 기술 등 산소반응을 활용하는 여러 분야의 작동 원리를 밝히는 데 활용될 수 있다.연구를 지도한 정우철 교수는 “이번 연구는 나노촉매의 성능뿐 아니라 실제 반응이 일어나는 위치와 작동 원리를 정량적으로 규명했다는 점에서 의미가 크다”며 “앞으로 다양한 에너지 변환 소재와 촉매 시스템에 적용할 수 있는 새로운 설계 원리로 확정해 나갈 계획”이라고 밝혔다.본 연구를 주도한 김진욱 박사는 현재 미국 노스웨스턴대에서 박사후연구원으로 연구를 수행하고 있으며 서울시립대 신소재공학과 조교수로 부임할 예정이다.향후에도 나노촉매와 고체산화물 전지의 반응 원리를 규명하고 이를 고효율 에너지 변환 소재 및 소자 개발로 확장하는 후속 연구에 매진할 계획이다.한편 본 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다(RS-2024-00452853, RS-2025-00521316).또한 포항가속기연구소 및 한국기초과학지원연구원의 지원을 받아 KBSI-PAL 8A2 AP-XPS 빔라인에서 방사광 기반 상압 광전자분광 분석을 수행했다.◇ 참고 자료- 논문명/저널: Quantitative electrochemical evaluation of metal nanocatalysts for oxygen exchange on solid oxide cell electrodes, Energy & Environmental Science- DOI: doi.org/10.1039/d5ee07320k