전원이 꺼져도 정보가 유지되는 비휘발성 메모리에 쓰이는 PZT의 원리가 무엇인가요?

Question

전원이 꺼져도 정보가 유지되는 비휘발성 메모리에 쓰이는 PZT의 원리가 무엇이며, 외부 전기장에 의해 무기 결정 격자 내의 금속 이온 위치가 미세하게 이동하며 영구적인 전기 쌍극자를 형성하는 과정이 어떻게 되나요?

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안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

비휘발성 메모리인 FRAM(강유전체 램)의 핵심 소재로 쓰이는 PZT는 납(Pb), 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti)으로 구성된 무기 결정 구조체입니다. 이 물질은 외부에서 전기를 가하지 않아도 스스로 전기적 분극 상태를 유지하는 강유전성이라는 독특한 물리적 특성을 지니고 있습니다.

​PZT의 원리는 결정 격자 내부의 미세한 구조 변화에 있습니다. PZT는 기본적으로 페로브스카이트라고 불리는 입방체 구조를 가집니다. 이 격자 구조의 중심에는 티타늄이나 지르코늄 같은 금속 이온이 위치하는데, 외부에서 전기장을 걸어주면 이 중심 금속 이온이 전기장의 방향을 따라 격자 안에서 미세하게 위나 아래로 이동하게 됩니다.

​이때 금속 이온의 위치가 격자의 중심에서 벗어나게 되면, 결정 내부적으로 (+) 전하와 (-) 전하가 나뉘는 전기 쌍극자가 형성됩니다. 중요한 점은 외부에서 가해주던 전기장을 제거하더라도, 이동한 금속 이온이 원래의 중심 위치로 돌아오지 않고 바뀐 자리에 그대로 머물러 있다는 것입니다. 이렇게 형성된 영구적인 분극 상태는 전원이 차단되어도 사라지지 않으므로, 이온이 '위'에 있는지 '아래'에 있는지에 따라 디지털 신호인 0과 1을 기록하고 유지할 수 있게 됩니다. 결국 무기 결정 격자 내의 정밀한 이온 이동이 전원 없이도 정보를 기억하는 비휘발성 메모리의 물리적 토대가 되는 것입니다.