초고속으로 동작 가능한 차세대 메모리 소자 구현
초고속으로 동작 가능한 차세대 메모리 소자 구현
  • 김예진 기자
  • 승인 2021.07.01 17:27
  • 댓글 0
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포항공과대학교 이장식 교수
기사와 직접적 관련 없는 이미지 Ⓒgettyimagesbank

스마트폰, 태블릿과 같은 모바일 플랫폼을 이용한 콘텐츠의 교환이 활발해짐과 동시에 인공지능, 자율주행자동차, 사물인터넷, 5G 4차 산업혁명 시대에 다양한 신기술의 등장으로 인하여 대용량의 정보를 처리하고 저장할 수 있는 새로운 저장 장치에 대한 수요가 지속해서 증가하고 있으며 대용량의 정보를 빠른 속도로 처리하고 저장할 수 있음과 동시에 기존 메모리 소자의 기능을 통합적으로 제공할 수 있는 새로운 메모리인 차세대 메모리 소자 개발이 요구되고 있다.

차세대 메모리 소자를 위한 신물질인 할로겐화물 페로브스카이트 소재는 낮은 동작 전압 및 높은 온/오프비 (on/off ratio) 등 다양한 장점들로 인하여 주목받아 왔으나 그 한계로 느린 동작 속도가 지목되어 왔다. 따라서 이러한 할로겐화물 페로브스카이트를 이용하여 대용량의 정보를 초고속으로 처리할 수 있는 차세대 메모리 소자로 실용화하기 위해서는 고속 동작이 가능한 페로브스카이트 소재 설계 및 핵심 기술 개발이 필수적이다.

 

이에 이장식 교수(포항공과대학교) 연구팀이 할로겐화물 페로브스카이트를 이용하여 초고속으로 동작할 수 있는 차세대 메모리인 저항변화메모리(전원이 꺼지더라도 저장된 정보가 그대로 유지되는 비휘발성 메모리 소자)를 개발했다,

엄청난 양의 다양한 정보의 교환이 활발해지고 인공지능, 자율주행자동차, 사물인터넷, 5G 4차 산업혁명 시대의 신기술 등장으로 대용량의 정보를 빠른 속도로 처리하고 저장할 수 있는 차세대 메모리 소자에 대한 연구가 필요하다.

할로겐화물 페로브스카이트 소재는 저항변화 특성을 제어할 수 있어 차세대 메모리 소자를 위한 신소재로 연구됐으나 느린 동작 속도가 실용화에 한계점으로 지목되어 왔다.

이에 이장식 교수 주도로 이동화 교수와의 공동 연구를 진행하여 제일원리계산과 실험적 검증을 통한 초고속 동작이 가능한 할로겐화물 페로브스카이트 소재를 설계하였고 이를 저항변화메모리 소자로 적용 가능한 기술을 개발하였다.

 

제일원리 계산기법을 적용해 다양한 구조를 갖는 할로겐화물 페로브스카이트 물질들의 물성을 비교하였다. 계산을 통하여 다이머 구조의 Cs3Sb2I9 (dimer-Cs3Sb2I9) 할로겐화물 페로브스카이트 소재의 경우 기존 페로브스카이트 소재들보다 빠른 속도의 동작 가능성을 찾아내었다.

 

■ 제일원리 계산을 이용한 할로겐화물 페로브스카이트 물질 선별 및 이를 통한 초고속 메모리 소자 제작 ■ 제일원리 계산을 이용해 메모리 소자에 적합한 할로겐화물 페로브스카이트 물질을 선별함. 총 696종의 페로브스카이트 후보군들에 대하여 4단계의 선별 과정을 통하여 최종 후보소재를 선정하였음 (상단 그림). 선정된 Cs3Sb2I9 물질을 금(Au)/Cs3Sb2I9/ 인듐-주석 산화물(Indium Tin Oxide, ITO) 구조의 메모리 소자로 제작하여 (하단 좌측 그림) 20 ns의 빠른 속도로 동작하는 메모리 특성을 구현함 (하단 우측 그림). [그림설명 및 그림제공 : 포항공과대학교 이장식 교수]
■ 제일원리 계산을 이용한 할로겐화물 페로브스카이트 물질 선별 및 이를 통한 초고속 메모리 소자 제작 ■
제일원리 계산을 이용해 메모리 소자에 적합한 할로겐화물 페로브스카이트 물질을 선별함. 총 696종의 페로브스카이트 후보군들에 대하여 4단계의 선별 과정을 통하여 최종 후보소재를 선정하였음 (상단 그림). 선정된 Cs3Sb2I9 물질을 금(Au)/Cs3Sb2I9/ 인듐-주석 산화물(Indium Tin Oxide, ITO) 구조의 메모리 소자로 제작하여 (하단 좌측 그림) 20 ns의 빠른 속도로 동작하는 메모리 특성을 구현함 (하단 우측 그림). [그림설명 및 그림제공 : 포항공과대학교 이장식 교수]

실험적 검증을 위하여 선정된 소재인 무기물 기반 할로겐화물 페로브스카이트 Cs3Sb2I9 (dimer-Cs3Sb2I9)를 합성하였고, 이를 메모리 소자에 적용하였다. 개발된 메모리 소자는 20ns (1ns = 10억분의 1)의 동작 속도를 보였으며, 같은 조성의 다른 결정구조를 갖는 층상구조의 Cs3Sb2I9 (layer-Cs3Sb2I9)를 사용한 메모리 소자보다 100배 이상의 빠른 속도로 동작하는 우수한 특성을 보였다.

본 연구에서 개발된 할로겐화물 페로브스카이트 물질 기반 메모리 소자는 빠른 동작 속도를 가지고 있어 향후 고속 처리능력이 있어야 하는 인공지능, 슈퍼컴퓨터 등의 다양한 전자기기들에 응용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 기존 페로브스카이트 소재에서 문제로 제기되었던 납(Pb)이 포함되지 않은 소재를 이용하여 메모리 소자를 제작하였기 때문에 환경오염 등의 문제를 해결하였다.

이번 연구는 이러한 기존 방식과 다르게 가장 좋은 소재 군을 계산을 통해 선별하고, 이를 실험적으로 증명하는 과정을 통해 진행되었다. 수백, 수천 종의 다양한 소재들을 전부 실험적으로 증명하기에는 너무나 많은 시간과 비용이 드는데 이러한 과정을 계산을 통해 진행하여 가장 우수한 메모리 특성이 나올 가능성이 있는 소재를 미리 선별하였고, 이를 이용하여 초고속으로 동작 가능한 메모리 소자를 구현하였다는 데 큰 의의가 있다.

이번 성과는 국제학술지네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’610(온라인) 게재되었다.

 

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