'그래핀 메모리 소자'의 작동 원리가 처음으로 밝혀졌다. 차세대 비휘발성 메모리 소자로 주목받는 그래핀 기반 '저항변화 메모리(RRAM)' 연구에 속도가 붙을 전망이다.
UNIST(울산과기원, 총장 정무영) 연구지원본부 정후영 교수와 KAIST(한국과학기술원, 총장 강성모) 이정용·최성율 교수팀은 '그래핀 산화물'을 이용한 메모리 소자가 작동하는 원리를 규명했다.
이번 연구결과는 지난 18일 재료 분야의 세계적 저널인 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials)'에 게재됐다. 속표지 논문(Inside Front Cover)으로도 선정됐다.
메모리는 컴퓨터에 들어가는 전자장치로 작업 정보가 저장되는 곳이다. 전원을 꺼도 정보가 사라지지 않는 메모리를 '비휘발성 메모리'라 한다. 실리콘(Si) 기반의 플래시 메모리가 가장 많이 쓰인다. 최근에는 더 작고 얇은 비휘발성 메모리 소자에 대한 요구가 늘고 있다. 특히 전기 저항이 크고 작음을 0과 1로 인식해 정보를 저장하는 '저항변화 메모리(RRAM)'는 차세대 비휘발성 메모리로 주목받는다. 금속과 절연체를 쌓는 형태로 구조가 간단한데다 정보 처리 속도도 빠르기 때문이다.
절연체로 '그래핀 산화물'을 활용하는 저항변화 메모리는 투명하고 유연한 특성 때문에 연구가 활발하다. 이 메모리는 금속 전극 사이에 수십 나노미터(㎚, 1㎚=10억 분의 1m) 두께의 그래핀 산화물 박막을 삽입해 만든다. 평소에는 전기 저항이 커서 전류가 흐르지 않지만 일정 전압 이상의 전기 자극을 주면 전류가 잘 흐른다.
이처럼 전기 저항이 큰 상태에서 작은 상태로 변화하는 특성이 메모리 소자에 활용된다. 그런데 지금까지는 그래핀 산화물에서 이런 저항 변화가 왜 일어나는지 명확히 밝혀지지 않았다. 정후영 교수팀은 전기 저항이 다른 2개의 소자를 투과전자현미경을 이용해 관찰해 그 원리를 밝혀냈다.
관찰 결과 금속 전극으로 활용된 알루미늄과 그래핀 산화물 박막이 맞닿은 면에 새로운 산화물 층이 만들어지는 장면이 포착됐다. 이 산화물 층은 수 나노미터 수준인데, 외부 전압이 주어지면 내부에서 알루미늄 금속 결정이 만들어졌다.
UNIST 정후영 교수는 "그래핀 산화물 박막은 전자빔에 약한 탄소와 산소로 이뤄져 일반적인 투과전자현미경처럼 가속전압을 높여서는 관찰하기 힘들다"며 "이번 연구에서는 그래핀 산화물 박막에 최적화된 단면 투과전자현미경 기법을 도입해 기존에 밝히지 못했던 메커니즘을 알아냈다"고 말했다.
한편 이번 연구는 한국연구재단(NRF)이 추진하는 '일반연구자지원사업'과 IBS(기초과학연구원) 나노물질 및 화학반응 연구단, 미래창조과학부가 추진하는 글로벌 프론티어 사업인 '나노기반 소프트일렉트로닉스 연구단'의 지원으로 수행됐다.
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