KAIST, 방사선에도 강한 초저에너지 메모리 최초 개발

KAIST 윤준보 교수팀, 나노종합기술원 강민호 박사와 협업
기존 플래시 메모리 반도체 3만분의 1수준

나노 전자 기계식 메모리 구조와 동작 메커니즘. 사진=KAIST 제공

국내 연구진이 기존 플래시 메모리 반도체의 3만분의 1수준에 불과하면서도 우주 공간과 비행기에서의 방사선 노출에도 견딜 수 있는 소자를 개발했다.

한국과학기술원(KAIST)은 전기 및 전자공학부 윤준보 교수 연구팀이 나노종합기술원 강민호 박사와의 협업해 우주 부품 수준의 내방사선 특성을 가지면서도 일반적인 비휘발성 플래시 메모리보다 3만 배 이상 프로그래밍 에너지가 낮은 나노 전자 기계식 비휘발성 메모리 소자를 개발했다고 28일 밝혔다.

기존 반도체 메모리 소자들은 방사선에 취약, 이를 보완하기 위해선 복잡한 회로나 추가적인 데이터 프로세싱을 수반하고 그 과정에서 많은 에너지가 소모된다. 즉, 일반적인 반도체 메모리 소자들은 내방사선과 낮은 동작 에너지를 동시에 만족하는 것이 어렵다.

연구팀은 방사선에 원척적으로 강인한 특성을 가진 나노 전자 기계 기술(NEMS)를 활용해 고에너지 방사선에도 잘 버티며, 매우 낮은 프로그래밍 에너지를 가지고, 전원이 공급되지 않아도 저장된 정보를 유지할 수 있는 비휘발성 메모리 소자를 세계 최초로 개발했다. 나노 크기의 매우 작은 기계 구조에 전기 신호를 가해 나노 기계 구조체가 실제로 움직여 하부 전극에 붙고 떨어지는 방식을 사용했다. 매우 낮은 프로그래밍 에너지를 달성하기 위해 파이프-클립 스프링 구조와 구부러진 외팔보 구조로 구성된 상부 전극을 도입해 반복적인 프로그램 동작에도 낮은 프로그래밍 에너지를 유지할 수 있도록 했다.

연구진은 나노종합기술원의 반도체 장비·시설 인프라를 활용해 8인치 웨이퍼 수준의 대면적 기판에 신뢰적으로 소자를 제작했다. 제작한 나노 전자 기계식 비휘발성 메모리의 프로그래밍 에너지는 차세대 메모리들과 비교했을 때도 매우 낮은 수준이었다. 기계적인 움직임을 기반으로 하는 동작 방식 덕분에 고에너지 방사선 조사 후에도 누설 전류 증가, 동작 전압 변화, 비트 오작동 등의 성능 저하 없이 우수한 내방사선 특성을 보였다.

이용복 박사과정은 "이번 연구 결과는 연구팀이 보유한 나노 전자 기계 설계 기술과 나노종합기술원의 첨단 공정 기술이 만나 내방사선 특성과 낮은 동작 에너지 소모를 동시에 만족하는 비휘발성 메모리를 세계 최초로 구현했다는 점에서 중요한 의미를 가진다"며 "해당 기술은 우주 환경에서의 인공지능, 초안정성 자율주행 시스템 등 내방사선과 높은 에너지 효율성이 필요한 다양한 미래 응용 분야에서 핵심 기술이 될 것"이라고 말했다.

KAIST 전기및전자공학부 이용복 박사과정이 제1 저자로 수행한 이번 연구는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈' 1월호에 출판됐다.