급속 냉동으로 차세대 '비정질 텔루륨' 메모리 작동원리 규명

비정질 텔루륨 기반 전자 소자가 순간적으로 녹았다가 급랭하는 실험 과정을 인공지능(AI)으로 표현한 그림. KAIST 제공

국내 연구팀이 차세대 저전력 반도체 소재로 유망한 '비정질 텔루륨(Te)'의 전기적 특성이 작동하는 원리를 규명했다. 극저온으로 급속 동결하는 새로운 실험 기법을 도입한 덕분이다.

KAIST는 서준기 생명화학공학과 교수팀이 이태훈 경북대 신소재공학과 교수팀과 공동연구를 통해 비정질 텔루륨의 스위칭 원리를 처음 규명하는 데 성공했다고 8일 밝혔다. 연구결과는 지난달 13일(현지시간) 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'에 공개됐다.

인공지능(AI) 발전으로 전력 수요가 급증하며 초고속·저전력 메모리 반도체 필요성이 커지고 있다.

비정질 텔루륨은 금속과 비금속 성질이 모두 나타나는 준금속 원소로 저전력 차세대 메모리 반도체의 핵심 재료로 주목받는다. 비정질 상태는 규칙적인 원자 배열이 불규칙한 고체 상태를 말한다.

소재가 전기 흐름을 켜거나 끄는 '스위칭'은 메모리 반도체의 핵심 특성이다. 텔루륨에 전류가 흐르는 등 가열되면 성질이 쉽게 변해 비정질 상태를 유지하기 어려웠다.

왼쪽부터 김창환 KAIST 석박사통합과정생, 김승환 박사과정생, 허남욱 석박사통합과정생, 서준기 교수, 조영석 박사과정생. KAIST 제공

연구팀은 실제 전자 소자 내에서 녹아 있는 텔루륨을 극저온으로 빠르게 냉각해 원자가 규칙적으로 배열된 결정질 상태와 비정질 상태의 텔루륨을 모두 구현하고 전기 흐름을 비교·분석했다.

비정질 텔루륨은 내부의 미세 결함이 전기 전도에 중요한 역할을 한다는 사실이 확인됐다. 전압이 일정 수준을 넘으면 전류가 한 번에 흐르지 않고 결함을 따라 급격히 증가한 다음 열이 축적돼 텔루륨이 녹는 2단계 스위칭이 일어났다.

연구팀은 텔루륨이 비정질 상태를 유지하며 전압이 스스로 커졌다가 작아지는 '자가 진동' 현상을 구현하는 데도 성공했다. 복잡한 재료 조합 없이 텔루륨 원소 하나만으로 안정적인 전기 스위칭 가능성을 보였다는 평가다.

서 교수는 "비정질 텔루륨을 실제 소자 환경에서 구현하고 스위칭 원리를 규명한 첫 연구"라며 "차세대 메모리 및 스위칭 소재 연구의 새로운 기준을 제시했다"고 밝혔다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1038/s41467-025-68223-0

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]