M램 반도체 전력소모·발열 줄인 AI 반도체 소자

UNIST, 저전력으로 M램에 데이터 저장 가능
전압펄스만으로 정보 저장..AI반도체 소자 기여

유정우(앞줄 왼쪽 두번째) 교수와 UNIST 연구진.

국내 연구진이 M램 반도체의 전력 소모와 발열을 획기적으로 줄이는 AI반도체 소자를 개발했다.

울산과학기술원(UNIST)은 유정우 신소재공학과 교수 연구팀은 저전력으로 메모리에 데이터를 저장할 수 있는 M램(자성메모리) 소자 구조를 개발했다고 28일 밝혔다.

M램은 기존 메모리 반도체인 낸드플래시와 D램의 장점을 고루 갖춘 차세대 메모리다. 낸드플래시처럼 전원을 꺼도 데이터가 날아가지 않는 비휘발성을 지니며 D램 수준으로 속도가 빠른 게 장점이다.

M램은 메모리에 데이터를 쓰고 지울 때 전류를 사용하는데, 메모리 소자를 구성하는 두 개의 자성층의 자화 방향이 서로 평행일 때는 저항값이 작고, 반평형 상태일 때는 저항값이 높아져 각각의 평형 및 반평형 상태에 따라 0과 1의 데이터로 저장한다. 하지만 자성층 자화 방향을 바꾸려면 문턱전류 이상의 전류를 흘려야 해 이 때 전력소모와 발열 문제가 발생한다.

연구팀은 자성절연체인 'YIG(이트륨 철 가넷)' 박막 위에 그래핀을 전사하고, 그 위에 강유전체인 '폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF-TrFe·폴리비닐리덴 플루오라이드와 에틸렌을 중합시킨 고분자)' 박막을 증착해 그래핀 기반의 이종접합 소자를 합성했다. 자성절연체는 전기자 잘 통하지 않지만 자성을 띠는 물질이고, 강유전체는 외부 전기장 없이도 전기적 방향성을 유지하는 물질이다.

전압 펄스를 소자에 가하면 YIG와 PVDF-TrFe 사이에 있는 그래핀에 흐르는 전류 방향이 바뀌어 방향에 따라 0과 1로 정보를 저장할 수 있다. 전압 펄스가 강유전체의 극성을 바뀌면 그래핀의 페르미 준위가 이동해 전류 방향이 바뀌는 원리를 적용한 것이다.

유정우 UNIST 교수는 "기존 자성소자가 갖는 전력소모와 발열 문제를 해결하고, 초저전력·초고속 읽기·쓰기와 고집적, 메모리 및 연산기능이 가능한 신개념 초저전력 비휘발성 메모리 소자 개발의 가능성을 규명했다는 데 의미가 있다"고 말했다.

이 연구결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션(지난 10일자)'에 게재됐다. 이준기기자 bongchu@dt.co.kr