더 빠르고, 전기 덜 쓰는 메모리 만든다…소자 내부 스위칭 순간 ‘포착’

KAIST, 전자소자 스위칭과 내부 작동원리 규명 차세대 메모리 재료 ‘비정질 텔루륨’, 소자 안에서 구현 국내 연구진이 메모리 반도체 소재가 전기를 켜고 끄는 스위칭 순간과 내부 작동 원리를 밝혀냈다. 앞으로 더 빠르고, 전기를 덜 쓰는 차세대 메모리 신소재 설계에 기여할 것으로 기대된다. KAIST는 서준기 생명화학공학과 교수 연구팀이 이태훈 경북대 교수 연구팀과 공동으로 기존에 관찰이 어려웠던 나노 소자 내부의 전기 스위칭 과정과 물질 상태 변화를 실시간으로 포착하는 실험 기법을 개발했다고 8일 밝혔다. 인공지능(AI)이 발전할수록 많은 정보를 저장하고, 적은 에너지로 동작할 수 있는 메모리 기술이 더욱 중요하다. 초고속·저전력 반도체의 핵심은 메모리 소재가 전기를 켜고 끄는 ‘스위칭’ 원리에 있다. 연구팀은 다양한 메모리 소재 중 텔루륨에 주목했다. 텔루륨은 전류가 처음에는 작게 나오다 갑자기 커지는 현상을 이용해 차세대 메모리 핵심 재료로 활용할 수 있다. 연구팀은 전기 스위칭을 확인하기 위해 물질을 순간적으로 녹였다가 빠르게 식히는 방식을 적용했다. 그동안 열에 민감해 전기를 흘리는 순간 성질이 쉽게 변하는 텔루륨(Te)을 나노 소자 안에서 유리처럼 불규칙한 상태의 비정질 텔루륨으로 구현하는 데 성공했다. 비정질 텔루륨은 더 빠르고 전기를 덜 쓰는 차세대 메모리의 핵심 재료로 주목받고 있다. 기존에는 텔루륨이 가열될 경우 성질이 쉽게 변해 비정질 상태를 유지하기 어려웠다. 연구팀은 주변 온도를 극저온으로 낮춘 뒤 녹은 텔루륨을 빠르게 냉각해 원자가 규칙적으로 배열된 결정질 상태와 무작위로 배열된 비정질 상태를 모두 구현하고, 전기 흐름을 비교했다. 그 결과, 비정질 텔루륨에서 내부의 미세한 결함이 전기 전도에 중요한 역할을 한다는 사실을 확인했다. 전압이 일정 수준을 넘으면 전기가 한 번에 흐르는 것이 아니라, 결함으로 인해 전류가 급격히 증가한 뒤 열이 축적되며 물질이 녹는 두 단계 스위칭 과정을 거치게 된다. 연구팀은 비정질 상태를 유지한 실험에서 전압이 스스로 커졌다 작아지는 ‘자가 진동’ 현상을 구현하는 데 성공했다. 이는 복잡한 재료 조합 없이 텔루륨 단일 원소만으로 안정적인 전기 스위칭이 가능함을 보여준 것이라고 연구팀은 설명했다. 서준기 KAIST 교수는 “이번 연구는 차세대 메모리 재료인 비정질 텔루륨을 실제 전자 소자 환경에서 구현하고, 스위칭 원리를 규명한 성과”라며 “차세대 메모리 및 스위칭 소재 연구의 새로운 기준을 제시했다는 데 의미가 있다”고 말했다 연구결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 지난달 13일 온라인에 실렸다.