나노 소자 스위칭 순간 포착..."차세대 메모리 소재 나왔으면..."

그동안 직접 관찰하기 어려웠던 나노 소자 스위칭 순간과 내부 작동 원리가 밝혀졌다. 차세대 메모리 소재 개발에 도움이 될 것으로 기대된다.

KAIST는 서준기 생명화학공학과 교수 연구팀이 경북대학교 이태훈 교수 연구팀과 공동으로 나노 소자 내부의 전기 스위칭 과정과 물질 상태 변화를 실시간 포착할 수 있는 기법을 개발했다고 8일 밝혔다.

전기소자 내 액체 상태에서 급속 냉각을 통해 만들어진 비정질 텔루륨의 전기 특성을 나타냈다. 그림a는 비정질 텔루룸 소자 구조와 측정 개념도, b는 입력전압과 소자 양단 전압의 시간에 따른 변화 그래프,c는 소자 전류 응답 특성을 보여준다.d는 시간에 따른 저항 싱태 전환과 전류 안정성 측정 결과고, e는 소자 자기 진동 전류 특성을 보여준다.(그림=KAIST)

연구팀은 전기 스위칭을 확인하기 위해 물질을 순간적으로 녹였다 빠르게 식히는 방식을 적용했다. 이를 통해 그동안 열에 민감해 전기를 흘리는 순간 성질이 쉽게 변하던 텔루륨(Te)을, 머리카락보다 훨씬 작은 나노 소자 안에서 ‘유리처럼 불규칙한 상태의 비정질 텔루륨’을 구현하는데 성공했다.

텔루륨은 금속과 비금속 성질을 모두 가진 준금속 원소다. 비정질 텔루륨은 ▲전도특성 세밀한 제어 가능 ▲높은 내구성 및 안정성 ▲기존 반도체 공정과의 호환성 등으로 인해 차세대 메모리의 핵심 재료로 주목받고 있다.

연구팀은 스위칭이 시작되는 전압과 열 조건, 그리고 에너지 손실이 발생하는 구간을 구체적으로 파악하는데 성공했다.

서준기 교수는 "열 발생을 줄인 상태에서도 안정적이고 빠른 동작 속도로 스위칭 되는 결과를 관측하는 등, ‘왜, 언제 전기가 켜지는지’를 이해한 원리 기반 메모리 소재 설계가 가능해졌다"고 설명했다.

연구팀은 비정질 텔루륨 내부 미세한 결함이 전기 전도에 중요한 역할을 한다는 사실도 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 또 전류를 과도하게 흘리지 않고도 비정질 상태를 유지한 채 실험을 진행한 결과 전압이 스스로 커졌다 작아지는 ‘자가 진동’ 현상을 구현하는 데도 성공했다. 이는 복잡한 재료 조합 없이 텔루륨 단일 원소만으로도 안정적인 전기 스위칭이 가능함을 보여준다.