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실리콘 카바이드의 공극은 내구성 있고 효율적인 데이터 저장을 가능케 한다.

장기 데이터 저장 장치로서의 원자 격자
실리콘 카바이드의 공극은 내구성 있고 효율적인 데이터 저장을 가능하게 한다.

자기 비트 대신 누락된 원자:
다이아몬드와 유사한 물질인 탄화규소는 디지털 데이터의 안전하고 효율적인 장기 저장을 가능하게 한다. 이는 단지 몇 년에서 수십 년이 아닌 여러 세대에 걸쳐 지속된다. 이온빔을 사용해 생성된 탄화규소 원자 격자의 결함은 데이터 비트 역할을 한다. 장점은 물리학자들이 보고한 것처럼 메모리와 읽기는 빠르고 에너지가 거의 필요하지 않다. 저장 밀도는 Blu-Ray 이상의 저장 밀도다. 

▲ 탄화규소에 장기 데이터 저장. 이온 빔을 사용하면 격자 결함 형태로 비트가 생성되고 레이저 유도 광발광을 통해 다시 판독된다. © M. Hollenbach/H. Schultheiss

텍스트, 이미지, 비디오 등 인류는 저장하고 보관해야 하는 디지털 데이터를 점점 더 많이 생산하고 있다. 이제 매년 거의 100ZB(제타바이트. 10^21)가 생성된다. 1ZB는 1조 바이트에 해당한다. 그러나 문제는 현재 사용되는 데이터 저장 장치(하드 드라이브, 블루레이, 자기 테이프)가 상대적으로 데이터 밀도가 높지만 수명이 몇 년에서 수십 년에 불과하다는 점이다. 디지털 분실의 위험이 있다.

"현재 미디어의 제한된 저장 시간으로 인해 손실을 방지하려면 몇 년 내에 데이터를 마이그레이션(mirgation: 더 나은 운영체제로 옮기는 것)해야한다"고 수석 저자인 Georgy Astakhov는 설명했다.

헬름홀츠 센터 드레스덴-로센도르프(HZDR). "끝없는 데이터 마이그레이션 절차에 우리를 가두는 것 외에도 이 프로세스는 상당한 양의 에너지를 소비하므로 에너지 소비가 크게 증가한다"고 말했다.

비트로서의 원자 격자 공극

이것이 바로 과학자들이 안전하고 효율적인 장기 보관이 가능한 새로운 형태의 데이터 스토리지를 오랫동안 찾아온 이유다. 실험에는 결정 격자의 DNA, 펩타이드 또는 원자를 기반으로 한 데이터 저장이 포함된다. 후자는 Astakhov, 첫 번째 저자인 Michael Hollenbach와 그 팀의 개념이 적용되는 곳이다. 그들은 디지털 비트와 바이트가 실리콘 카바이드(SiC)의 원자 격자 공극으로 고정되는 장기 데이터 저장 장치를 개발했다.

장점:
카보런덤이라고도 알려진 탄화규소는 다이아몬드만큼 단단하고 내구성이 높다. 따라서 결정 격자에 인위적으로 삽입된 결함은 정상적인 조건에서 오랫동안 그대로 유지된다. “결함을 끄는 것은 주변 온도에 따라 달라진다. 우리의 관찰에 따르면 정상적인 조건에서 최소 몇 세대의 보관 시간이 소요된다”고 Astakhov는 보고했다.

▲ 탄화규소는 다이아몬드와 유사한 안정적인 원자 격자를 형성한다. (Si = 회색, C = 검정색) 캡션

데이터 기록 장치로서의 이온 빔

실리콘 카바이드를 디지털 데이터 저장 장치로 전환하기 위해 물리학자들은 정밀하게 집중된 이온 빔을 데이터 기록 장치로 사용한다. 양성자 또는 헬륨 이온은 특히 격자에서 실리콘 원자를 두드려 3차원으로 배열된 비트를 생성한다. Astakhov는 "3개의 공간 차원과 추가적인 4번째 차원의 강도는 측면 위치, 깊이 및 결함 수를 변경하여 제어된다"고 설명했다.

테스트에서 물리학자들은 갈릴레오 갈릴레이의 텍스트를 단층 실리콘 카바이드 결정에 저장했을 뿐만 아니라 여러 층의 지질 대륙 위치 지도를 다층 저장 결정에 저장했다. 1비트를 쓰는 데 필요한 에너지는 10~50펨토줄 사이였다. (비교: 광학 데이터 저장에는 약 200배가 필요하고 자기 및 솔리드 스테이트 하드 드라이브에는 2~10배가 필요)

발광 효과로 독서 가능

데이터를 다시 읽으려면 근적외선 레이저를 사용해 탄화규소 결정을 자극한다. 이는 그리드 결함의 발광을 유발하며, 광자 검출기를 사용하여 그 빛을 평가할 수 있다. 다층 저장 결정에 대한 테스트에서 여전히 판독할 수 있는 저장 밀도는 평방 센티미터당 약 12기가비트(Gbit/cm2)였다. 연구자들에 따르면 이는 HD DVD 또는 Blu-Ray와 대략적으로 일치한다.

▲ 탄화규소 결정의 여러 층이 서로 겹쳐져 있는 세계 지도를 저장하고 읽는다. © Hollenbach et al./Advanced Functional Materials, doi: 10.1002/adfm.202313413, CC-by 4.0

또한, 집중된 전자빔 여기를 통해 공간 저장 밀도가 크게 향상될 수 있다고 Astakhov가 보고했다. 이러한 소위 음극 발광은 훨씬 더 정확한 판독을 가능하게 하며 저장 밀도를 최대 약 46Gbit/cm2까지 증가시킬 수 있다. 물리학자들에 따르면 이는 프로토타입 자기 테이프의 현재 기록 영역 저장 밀도에 해당하지만, 저장 기간이 더 짧고 에너지 소비가 더 높다.

미래의 데이터 저장?

연구팀에 따르면 탄화규소는 귀중한 디지털 데이터의 장기 저장 장치로 매우 적합할 수 있다. 제시된 재료와 저장 방법은 높은 공간 해상도, 빠른 쓰기 속도 및 단일 비트 저장을 위한 낮은 에너지를 가능하게 한다. 이러한 크리스탈 메모리는 다시 쓸 수 없지만, 이것이 바로 장기 아카이브로 적합한 이유다.

"우리의 접근 방식은 탄화규소에만 국한되지 않고 황화텅스텐(WS2) 및 육방정계 질화붕소(hBN)와 같은 2D 재료를 포함하여 광학적으로 활성 격자 결함이 있는 다른 재료로 확장될 수 있다"고 Hollenbach와 그의 동료들은 말했다.
(Advanced Functional Materials, 2024; doi: 10.1002/adfm.202313413)
출처: 헬름홀츠 센터 드레스덴-로쎈도르프

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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