KAIST, 극저온 환경서 ‘비정질 텔루륨’ 구현… 메모리 소재 전도·열 작동 원리 최초 규명
인공지능(AI) 기술이 고도화될수록 컴퓨터에는 더 빠르고 효율적인 메모리가 요구된다. 초고속·저전력 반도체의 핵심은 메모리 소재가 전기를 켜고 끄는 ‘스위칭’ 원리에 있다. 국내 연구진이 초미세 전자 소자 내부에서 전기가 켜지고 꺼지는 찰나의 순간과 물질 상태 변화를 직접 포착하며, 차세대 메모리 소재 설계를 위한 기초 기준을 제시했다.
KAIST 생명화학공학과 서준기 교수 연구팀은 경북대학교 이태훈 교수 연구팀과의 공동연구를 통해, 기존에는 관찰이 어려웠던 나노 소자 내부의 전기 스위칭 과정과 물질 상태 변화를 실시간으로 규명할 수 있는 실험 기법을 개발했다고 2월 8일 밝혔다.
연구팀은 전기 스위칭 현상을 관찰하기 위해 물질을 순간적으로 녹였다가 빠르게 식히는 방식을 적용했다. 그 결과, 열에 민감해 전류가 흐르는 순간 성질이 쉽게 변하던 텔루륨을 머리카락보다 훨씬 작은 나노 소자 내부에서 안정적인 비정질 상태로 구현하는 데 성공했다. 이는 차세대 메모리 소재로 주목받는 비정질 텔루륨을 실제 전자 소자 환경에서 구현한 성과다.
이번 연구를 통해 연구팀은 스위칭이 시작되는 전압과 열 조건, 에너지 손실이 발생하는 구간을 구체적으로 파악했다. 이를 바탕으로 열 발생을 최소화한 상태에서도 빠르고 안정적인 전기 스위칭이 가능함을 확인했으며, 전기가 언제, 어떤 조건에서 켜지고 꺼지는지를 원리 수준에서 이해할 수 있는 토대를 마련했다.
기존에는 텔루륨이 가열되면 성질이 쉽게 변해 비정질 상태를 유지하기 어려웠다. 연구팀은 주변 온도를 극저온으로 낮춘 뒤 녹은 텔루륨을 빠르게 냉각하는 방식을 통해, 규칙적인 배열을 가진 결정질 상태와 불규칙한 배열의 비정질 상태를 모두 구현하고 전기 전도 특성을 비교 분석했다.
분석 결과, 비정질 텔루륨에서는 내부의 미세한 결함이 전기 전도 과정에서 중요한 역할을 하는 것으로 나타났다. 전압이 일정 수준을 넘으면 전류가 한 번에 흐르는 것이 아니라, 결함을 따라 전류가 급격히 증가한 뒤 열이 축적되며 물질이 녹는 두 단계 스위칭 과정이 관측됐다.
또한 연구팀은 과도한 전류를 흘리지 않고도 비정질 상태를 유지한 채 실험을 진행해, 전압이 스스로 커졌다 작아지는 ‘자가 진동’ 현상을 구현하는 데 성공했다. 이는 복잡한 재료 조합 없이 텔루륨 단일 원소만으로도 안정적인 전기 스위칭이 가능함을 보여준다.
이번 연구는 차세대 메모리 재료로 주목받는 비정질 텔루륨을 실제 전자 소자 안에서 구현하고, 전기 스위칭의 가장 기본적인 작동 원리를 체계적으로 규명한 성과다. 연구 결과는 향후 더 빠르고 전기를 덜 사용하는 차세대 메모리 반도체 소재 설계의 핵심 지침으로 활용될 것으로 기대된다.
서준기 교수는 “비정질 텔루륨을 실제 소자 환경에서 구현하고 전기 스위칭 원리를 규명한 첫 연구”라며, “차세대 메모리 및 스위칭 소재 연구의 새로운 기준을 제시했다”고 말했다.
이번 연구에는 허남욱 석박사통합과정 연구원이 제1저자로, 김승환 박사과정 연구원이 제2저자로 참여했으며, 연구 결과는 국제 학술지 Nature Communications 1월 13일자 온라인판에 게재됐다.
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