카이스트, 차세대 메모리 열쇠 ‘텔루륨’ 스위칭 원리 밝혔다

나노소자에서 준금속 비정질 텔루륨 안정화 성공
전압 자가진동 관측… 전기 스위칭 가능성 확인

메모리 전자소자를 순간적으로 녹였다 얼리는 실험을 표현한 그림. 카이스트 제공

카이스트와 경북대 공동 연구진이 전기가 켜지고 꺼지는 ‘스위칭’ 순간을 나노 소자 내부에서 실시간으로 포착하고, 차세대 메모리 소재의 숨은 작동 원리를 규명했다. 물질을 순간적으로 녹였다가 빠르게 얼리는 방식으로 그동안 직접 관찰이 어려웠던 스위칭 과정과 물질 상태 변화를 들여다본 것이다.

카이스트 생명화학공학과 서준기 교수 연구팀은 텔루륨(Te)을 초소형 전자 소자 안에서 순간적으로 녹인 뒤 급속 냉각해 ‘비정질 텔루륨’을 안정적으로 구현하는 데 성공했다고 8일 밝혔다. 텔루륨은 금속과 비금속 성질을 모두 지닌 준금속 원소로, 비정질 상태일 때 더 빠르고 전력 소모가 적은 차세대 메모리의 핵심 재료로 주목받는다.

연구팀은 극저온 환경에서 녹은 텔루륨을 빠르게 식히는 방식으로 하나의 소자 안에서 결정질과 비정질 상태를 모두 구현하고 전기 흐름을 비교했다. 그 결과 비정질 텔루륨 내부의 미세한 결함이 전기 전도에 중요한 역할을 한다는 사실을 확인했다.

특히 전압이 일정 수준을 넘을 때 전기가 한 번에 흐르는 것이 아니라 먼저 결함을 따라 전류가 급격히 증가한 뒤 열이 축적되며 물질이 녹는 ‘두 단계 스위칭’이 일어난다는 점을 밝혀냈다. 이는 기존에 알려진 ‘열로 인해 갑작스러운 전류 변화가 생긴다’는 설명을 넘어, 결함이 스위칭의 출발점임을 보여준 것이다.

또 연구팀은 전류를 과도하게 흘리지 않고도 비정질 상태를 유지한 채 실험을 진행해 전압이 스스로 커졌다 작아지는 ‘자가 진동’ 현상도 구현했다. 복잡한 재료 조합 없이 텔루륨 단일 원소만으로도 안정적인 스위칭이 가능함을 입증한 셈이다.

이번 연구는 실제 전자 소자 환경에서 비정질 텔루륨을 구현하고 메모리에서 전기가 켜지고 꺼지는 가장 기본적인 원리를 체계적으로 규명한 성과로 평가된다. 연구진은 이번 결과가 향후 고속·저전력 메모리 반도체를 위한 소재 설계의 중요한 지침이 될 것으로 기대하고 있다.

해당 연구에는 카이스트와 경북대 연구진이 공동 참여했으며 결과는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈에 게재됐다. 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단과 삼성전자의 지원을 받아 수행됐다.

구혁 기자