UNIST가 ‘그래핀 메모리 소자’ 작동 원리를 밝혀냈다. 차세대 비휘발성 메모리 소자로 주목받는 그래핀 기반 ‘저항변화 메모리(RRAM)’ 연구에 속도가 붙을 전망이다.
정후영 UNIST 교수와 이정용·최성율 KAIST 교수로 구성된 공동 연구팀(이하 정 교수팀)은 ‘그래핀 산화물’로 만든 메모리 소자의 작동 원리를 규명했다. 절연체인 그래핀 산화물에서 전기 저항이 낮아져 전류가 흐르게 되는 이유를 투과전자현미경(TEM)으로 확인했다.
메모리는 전자장치에서 작업 정보를 저장하는 곳이다. 전원을 차단해도 정보가 사라지지 않는 메모리를 ‘비휘발성 메모리’라 하며 실리콘(Si) 기반 플래시 메모리가 대표적이다.
최근 더 작고 얇은 비휘발성 메모리 소자 수요는 크게 늘고 있다. 특히 전기 저항이 크고 작음을 0과 1로 인식해 정보를 저장하는 ‘저항변화 메모리(RRAM)’는 차세대 비휘발성 메모리로 주목 받고 있다. 구조가 간단하고 정보 처리 속도도 빠르기 때문이다.
‘그래핀 산화물’을 절연체로 활용한 RRAM은 투명하고 유연한 것이 특징이다. 금속 전극 사이에 수십 나노미터(㎚, 1㎚=10억 분의 1m) 두께의 그래핀 산화물을 박막 형태로 삽입해 만든다. 평소에는 전기 저항이 높아 전류가 흐르지 않고, 일정 전압 이상으로 전기 자극을 주면 전류가 흐르게 된다. 전기 저항이 높은 상태에서 낮은 상태로 바꿀 수 있는 특성을 메모리 소자로 활용한 것이다.
지금까지 그래핀 산화물을 이용했을 때 왜 이러한 저항 변화가 일어나는지 명확히 밝혀지지 않았다. 정 교수팀은 전기 저항이 다른 2개 소자를 투과전자현미경을 이용해 관찰해 그 원리를 밝혀냈다.
그 결과, 금속 전극으로 활용한 알루미늄과 그래핀 산화물 박막이 맞닿은 면에서 새로운 산화물 층이 만들어지는 장면을 확인했다. 이 산화물 층은 수 나노미터 크기이며 외부에서 전압이 가해지면 내부에 알루미늄 금속 결정이 생겼다.
정 교수는 “그래핀 산화물 박막에 최적화된 단면 투과전자현미경 기법을 이용해 작동 메커니즘을 알아냈다”며 “그래핀 산화물 기반 RRAM의 효율적 설계와 집적도 향상 연구에 기여할 수 있다”고 말했다.
이 연구결과는 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼스 18일자에 게재됐다. 이번 연구는 한국연구재단 ‘일반연구자지원사업’과 IBS(기초과학연구원) 나노물질 및 화학반응 연구단, 미래창조과학부 나노기반 소프트일렉트로닉스 연구단 지원으로 수행됐다.
울산=임동식기자 dslim@etnews.com
