전기 'ON·OFF 찰나' 실시간 포착…차세대 메모리 혁신 [지금은 과학]

[아이뉴스24 정종오 기자] 국내 연구팀이 아주 작은 전자 소자 안에서 물질을 순간적으로 녹였다가 얼리는 실험을 통해 그동안 직접 관찰하기 어려웠던 스위칭 순간과 내부 작동 원리를 알아냈다. 더 빠르고 전기를 덜 쓰는 차세대 메모리 신소재를 원리 기반으로 설계할 수 있는 기준을 제시했다.

인공지능이 발전할수록 컴퓨터에는 더 빠르고 효율적 메모리가 필요하다. 초고속·저전력 반도체의 핵심은 메모리 소재가 전기를 켜고 끄는 ‘스위칭’ 원리에 있다.

한국과학기술원(KAIST, 총장 이광형)의 생명화학공학과 서준기 교수 연구팀은 경북대 이태훈 교수 연구팀과 공동연구를 진행했다. 기존에는 관찰이 어려웠던 나노 소자 내부의 전기 스위칭 과정과 물질 상태 변화를 실시간으로 포착할 수 있는 실험 기법을 개발했다.

연구팀은 전기 스위칭을 확인하기 위해 물질을 순간적으로 녹였다가 빠르게 식히는 방식을 적용했다. 그동안 열에 민감해 전기를 흘리는 순간 성질이 쉽게 변하던 텔루륨(Te, 금속과 비금속의 성질을 모두 가진 준금속 원소)을, 머리카락보다 훨씬 작은 나노 소자 안에서 ‘유리처럼 불규칙한 상태의 비정질 텔루륨’으로 안정적으로 구현하는 데 성공했다. 비정질 텔루륨은 더 빠르고 전기를 덜 쓰는 차세대 메모리의 핵심 재료로 주목받고 있다.

이번 연구를 통해 연구팀은 스위칭이 시작되는 전압과 열 조건, 에너지 손실이 발생하는 구간을 구체적으로 파악했다. 이를 바탕으로 열 발생을 줄인 상태에서도 안정적이고 빠른 동작 속도로 스위칭 되는 결과를 관측했다. ‘왜, 언제 전기가 켜지는지’를 이해한 원리 기반 메모리 소재 설계가 가능해졌다.

기존에는 텔루륨이 가열되면 성질이 쉽게 변해 비정질 상태를 유지하기 어려웠다. 연구팀은 주변 온도를 극저온으로 낮춘 뒤 녹은 텔루륨을 빠르게 냉각하는 방식으로 원자가 규칙적으로 배열된 결정질 상태와 무작위로 배열된 비정질 상태를 모두 구현하고 전기 흐름을 비교 분석했다.

비정질 텔루륨에서는 내부의 미세한 결함이 전기 전도에 중요한 역할을 한다는 사실을 확인했다. 전압이 일정 수준을 넘으면 전기가 한 번에 흐르는 것이 아니라, 먼저 결함을 따라 전류가 급격히 증가하고 이후 열이 축적되며 물질이 녹는 두 단계 스위칭 과정이 나타났다.

연구팀은 전류를 과도하게 흘리지 않고도 비정질 상태를 유지한 채 실험을 진행했다. 전압이 스스로 커졌다 작아지는 ‘자가 진동’ 현상을 구현하는 데 성공했다. 이는 복잡한 재료 조합 없이 텔루륨 단일 원소만으로도 안정적 전기 스위칭이 가능함을 보여준다.

이번 연구는 차세대 메모리 재료인 비정질 텔루륨을 실제 전자 소자 안에서 구현하고 전기가 켜지고 꺼지는 가장 기본 원리를 체계적으로 규명한 성과로 꼽힌다. 연구 결과는 앞으로 더 빠르고 전기를 덜 쓰는 메모리를 구현하기 위한 반도체 소재 설계의 중요한 지침으로 활용될 것으로 기대된다.

서준기 교수는 “비정질 텔루륨을 실제 소자 환경에서 구현하고 스위칭 원리를 규명한 첫 연구”라며 “차세대 메모리와 스위칭 소재 연구의 새로운 기준을 제시했다”고 말했다.

허남욱 석박사통합과정이 제1 저자로 김승환 박사과정이 제2 저자로 참여했다. 서준기 교수(KAIST)가 교신저자로 참여한 이번 연구 결과(논문명 : On-device cryogenic quenching enables robust amorphous tellurium for threshold switching)는 국제 학술지 `네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 1월 13일 자 온라인판에 실렸다.