차세대 비휘발성 메모리 소자로 주목받는 '그래핀 메모리 소자'의 작동 원리를 국내 연구진이 처음으로 밝혀냈다.
울산과학기술원(UNIST) 연구지원본부 정후영 교수(사진)와 한국과학기술원 이정용·최성율 교수팀은 절연체인 그래핀 산화물에서 전기 저항이 낮아져 전류가 흐르는 원인을 투과전자현미경(TEM)을 이용해 규명했다고 19일 밝혔다.
메모리는 컴퓨터에서 작업 정보가 저장되는 곳으로, 전원을 꺼도 정보가 사라지지 않는 메모리를 '비휘발성 메모리'라고 한다. 현재는 실리콘을 기반으로 한 '플래시 메모리'가 가장 많이 쓰이고 있는 데, 점점 더 작고 얇은 비휘발성 메모리 소자에 대한 요구가 늘어나고 있는 상황이다. 특히 전기 저항이 크고 작음을 '0'과 '1'로 인식해 정보를 저장하는 '저항변화 메모리(RRAM)'는 차세대 비휘발성 메모리로 주목을 받고 있다. 금속과 절연체를 쌓는 형태로 구조가 간단하고 정보 처리 속도가 빠르기 때문이다.
그래핀 산화물은 투명하고 유연한 특성 때문에 RRAM에 들어가는 절연체로 활발히 연구되고 있다. 그래핀 산화물을 활용한 메모리는 평소에는 전기 저항이 커서 전류가 흐르지 않지만, 일정 전압 이상 전기 자극을 주면 전류가 잘 흐른다. 이렇게 전기 저항이 큰 상태에서 작은 상태로 변화하는 성질을 메모리 소자에 활용하는 것인 데, 지금까지 이런 저항 변화가 왜 일어나는지 명확히 밝혀지지 않았다.
연구팀은 전기 저항이 다른 2개의 소자를 TEM을 이용해 관찰한 결과, 금속 전극으로 활용된 알루미늄과 그래핀 산화물 박막이 맞닿은 면에 새로운 산화물 층이 만들어지는 현상을 발견했다. 수 나노미터 수준의 이 산화물 층에 외부 전압이 주어지자 알루미늄 금속 결정이 만들어졌다.
최성율 교수는 "알루미늄 결정은 마치 피뢰침처럼 뾰족하게 생성돼 전류가 흐를 수 있도록 길을 여는 역할을 한다"며 "그래핀 산화물 기반 RRAM의 메커니즘이 밝혀짐에 따라 소자 구조의 효율적 설계나 집적도를 높이는 후속 연구가 가능해질 것"이라고 설명했다.
정후영 교수는 "그래핀 산화물 박막은 전자빔에 약한 탄소와 산소로 이뤄져 일반적인 투과전자현미경처럼 가속전압을 높여서는 관찰하기 힘들다"며 "이번 연구에서는 그래핀 산화물 박막에 최적화된 단면 투과전자현미경 기법을 도입해 기존에 밝히지 못했던 메커니즘을 알아냈다"고 말했다.
이 연구결과는 재료 분야의 세계적 저널인 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials)'에 게재됐다.
