Nano Electronic & Energy Materials Laboratory(나노 전자 및 에너지 소재 연구실)는 차세대 반도체 및 에너지 응용을 위한 혁신적인 나노소재와 소자 기술을 연구하는 세계적 수준의 연구실입니다. 본 연구실은 플루오라이트 구조 강유전체 및 반강유전체(HfO₂, ZrO₂ 및 이들의 고용체, 나노라미네이트, 초격자 등)를 기반으로, 기존 페로브스카이트 구조 강유전체의 한계를 극복하고, CMOS 공정과의 완벽한 호환성을 갖춘 초박막 소재 및 소자 개발에 집중하고 있습니다.
특히, 원자층 증착법(ALD), 도핑 및 결함 제어, 계면공학, 전극 소재 개발 등 다양한 소재 엔지니어링 전략을 통해, 나노미터 두께에서도 우수한 강유전성, 내구성, 신뢰성을 확보하고 있습니다. 이러한 소재는 차세대 비휘발성 메모리(FeRAM, FeFET, FTJ), 로직-메모리 융합 소자, 신경모방 컴퓨팅 하드웨어 등 첨단 반도체 소자에 적용되고 있으며, 에너지 하베스팅, 전기열량 냉각, 초고집적 커패시터 등 에너지 응용 분야에서도 핵심적인 역할을 하고 있습니다.
연구실은 소재의 근본적인 상전이 메커니즘, 분극 반전 동역학, 결함 및 계면의 영향 등 소재-소자 통합 관점에서의 심층 연구를 수행합니다. 이를 위해 X선 회절, 전자현미경, 전기적 특성 평가 등 다양한 첨단 분석 장비와 이론적 모델링을 활용하여, 소재의 미세구조와 전기적 특성 간의 상관관계를 체계적으로 규명하고 있습니다. 또한, 실제 소자 제작 및 평가를 통해 연구 결과의 실용적 응용 가능성을 검증하고 있습니다.
최근에는 플루오라이트 구조 강유전체의 신경모방 소자, 초저전력·고성능 PIM(Processing-In-Memory) 시스템, 3차원 수직 적층 멤커패시터 어레이 등 미래 지능형 반도체 및 인공지능 하드웨어 구현을 위한 혁신적 연구도 활발히 진행 중입니다. 다양한 국내외 산학연 협력, 정부 및 국제 공동 프로젝트, 특허 및 논문 실적을 바탕으로, 본 연구실은 반도체 및 에너지 소재 분야의 세계적 리더로 자리매김하고 있습니다.
Nano Electronic & Energy Materials Laboratory는 소재의 근본적 이해와 실용적 응용을 동시에 추구하며, 차세대 반도체·에너지·인공지능 하드웨어 분야에서 새로운 패러다임을 제시하는 연구를 지속적으로 선도하고 있습니다. 앞으로도 본 연구실은 혁신적인 소재 및 소자 기술 개발을 통해, 미래 정보사회와 에너지 사회의 핵심 기반 기술 창출에 기여할 것입니다.
본 연구실은 플루오라이트 구조를 갖는 산화하프늄(HfO₂), 산화지르코늄(ZrO₂) 및 이들의 고용체, 나노라미네이트, 초격자 등 다양한 형태의 강유전체 및 반강유전체 소재를 개발하고 있습니다. 기존의 페로브스카이트 구조 강유전체가 갖는 집적 한계와 공정 호환성 문제를 극복하기 위해, 플루오라이트 구조 소재의 원자층 증착법, 도핑, 계면공학 등 다양한 공정 기술을 적용하여 나노미터 두께에서도 우수한 강유전성과 신뢰성을 확보하고 있습니다. 특히, 이들 소재는 기존 CMOS 공정과의 호환성이 뛰어나 차세대 메모리 소자, 로직-메모리 융합 소자, 신경모방 소자 등 다양한 반도체 응용에 적합합니다.
연구실은 플루오라이트 구조 강유전체의 상전이 메커니즘, 도핑 및 결함 제어, 계면 및 전극 소재의 영향 등 소재-소자 통합 관점에서의 근본적인 물성 연구를 수행합니다. 이를 위해 X선 회절, 전자현미경, 전기적 특성 평가 등 다양한 분석 기법을 활용하여 소재의 미세구조와 전기적 특성 간의 상관관계를 체계적으로 규명합니다. 또한, 원자층 증착법 기반의 초박막 공정, 나노라미네이트 및 인공 초격자 구조 설계, 계면공학을 통한 결함 및 상제어 등 소재 엔지니어링 전략을 적극적으로 도입하고 있습니다.
이러한 연구를 통해 개발된 플루오라이트 구조 강유전체 및 반강유전체 소재는 차세대 비휘발성 메모리(FeRAM, FeFET, FTJ), 에너지 저장 및 변환 소자, 신경모방 컴퓨팅 하드웨어 등 다양한 첨단 반도체 및 에너지 응용 분야에서 핵심적인 역할을 할 것으로 기대됩니다. 본 연구실은 소재의 근본적 이해와 실용적 응용을 동시에 추구하며, 국내외 선도 연구그룹 및 산업체와의 협력을 통해 세계적인 연구 경쟁력을 확보하고 있습니다.
에너지 하베스팅 및 초저전력 전자소자를 위한 나노스케일 소재 및 소자 공학
본 연구실은 급격히 증가하는 정보량과 전자기기의 에너지 소비 문제를 해결하기 위해, 나노스케일에서 동작하는 에너지 효율적 전자소자 및 에너지 하베스팅 소자 개발에 주력하고 있습니다. 특히, 플루오라이트 구조 강유전체 및 반강유전체의 전기열량 효과, 파이로일렉트릭 효과, 전계 유도 상전이 등 다양한 물리 현상을 활용하여, 전기-열 에너지 변환, 에너지 저장, 초저전력 동작이 가능한 소자 구조를 설계하고 있습니다.
연구실은 나노라미네이트, 초격자, 인공계면 등 다양한 구조적 설계를 통해 소재의 상전이 특성, 분극 반전 동역학, 결함 및 계면 제어 기술을 개발하고 있습니다. 이를 바탕으로, 에너지 하베스팅 소자, 초고집적 커패시터, 저전력 메모리 및 로직 소자, 신경모방 소자 등 다양한 응용 소자에 최적화된 소재 및 공정 기술을 확보하고 있습니다. 또한, 전극 소재(예: TiN, Mo, W 등)와의 계면공학을 통해 소자의 신뢰성, 내구성, 저전력 동작 특성을 극대화하는 연구도 활발히 진행 중입니다.
이러한 연구는 차세대 반도체 소자의 에너지 효율성 향상뿐만 아니라, 환경 친화적 에너지 변환 및 저장 기술, 인공지능 하드웨어 구현 등 미래 정보사회와 에너지 사회의 핵심 기반 기술로 이어질 것입니다. 본 연구실은 소재-소자-시스템 통합 관점에서의 혁신적 연구를 통해, 초저전력·고성능·고신뢰성 전자소자 및 에너지 소자 분야의 세계적 선도 연구를 지향하고 있습니다.
