박경덕 포스텍 물리학과·반도체공학과·융합대학원·반도체대학원 교수 연구진이 기존보다 수십만 배 많은 정보를 저장할 수 있는 광(光) 데이터 저장 기술을 개발했다고 4일 밝혔다.
스마트폰 사진 한 장 용량은 10년 전보다 10배 이상 커졌다. 초고화질 영상은 더하다. 여기에 인공지능(AI) 서비스 확산으로 생성·처리되는 데이터까지 늘어나면서, 저장 공간에 대한 수요는 기하급수적으로 증가하고 있다.
늘어나는 정보를 저장하려면 정보 저장 칸을 더 많이 만들어야 한다. 그러나 이를 위해 한 칸의 크기를 줄이다 보면 전기적 간섭과 물리적 한계에 부딪히게 된다. 특히 빛을 활용한 광 저장 기술은 빛이 퍼지는 성질 때문에 ㎚(나노미터, 10억분의 1m) 수준까지 집적도를 높이기 어려웠다.
연구진은 반도체 내부에서 빛과 전자가 결합해 형성되는 입자인 '엑시톤(exciton)'에 주목했다. 엑시톤은 빛의 특성과 전자의 특성을 모두 가진 입자로, 이 입자의 상태를 정밀하게 조절하면 하나의 저장 셀에서 여러 단계의 정보를 표현할 수 있다. 신호등이 빨강, 노랑, 초록색에 따라 서로 다른 신호를 보내듯, 엑시톤 발광 밝기를 여러 단계로 나누어 하나의 셀에 두 가지 이상의 정보를 담는 방식을 고안했다.
연구진은 이를 위해 '금속-절연체-반도체'를 쌓아 올린 나노 터널 접합 장치를 만들었다. 이 구조에서 전하 이동을 미세하게 조절하면 엑시톤이 또 다른 입자 상태로 변하면서 빛의 세기가 달라진다. 연구진은 이를 이용해 약 60㎚ 크기 단일 셀에서 세 단계 이상의 발광 상태를 구현하는 데 성공했다. 또한, 저장층 두께를 15㎚ 이하(머리카락 굵기 약 5000분의 1)로 얇게 만들어, 소자를 더욱 촘촘히 쌓을 수 있는 기반도 확보했다.
이번에 개발한 기술은 빛을 이용해 비접촉 방식으로 데이터를 읽고 쓸 수 있어 장치의 마모와 손상을 줄일 수 있다. 논문 제1저자인 이형우 연구원은 "기존 기술이 저장 공간의 확대에 의존했다면, 이번 연구는 빛의 세기가 아닌 반도체 내부 엑시톤의 상태 자체를 정보 단위로 활용했다는 점에서 의미가 크다"며 "향후 데이터센터와 인공지능 서버, 차세대 반도체 메모리, 스마트 기기 등 여러 분야에 적용될 경우, 저장 기술 패러다임을 바꾸는 전환점이 될 수 있다"고 설명했다.
이번 연구는 나노과학 분야 국제 학술지 '미 화학회 나노(ACS Nano)'에 지난해 12월 게재됐고, 표지 논문으로 선정됐다.
참고 자료
ACS Nano(2025), DOI: https://doi.org/10.1021/acsnano.5c15152