IBS, 초고속 나노 메모리 기반 기술 개발

주사터널링 현미경으로 이황화탄탈에 전압펄스를 가하기 전(위 그림)과 후(아래 그림)의 깨진 전하밀도파 이황화탄탈(1T-TaS2)은 극저온(4.3K)에서 결맞음 전하밀도파를 갖는 모트 절연체이다. 전자간 척력으로 생긴 전하밀도파는 전류가 흐르지 못하게 해 이황화탄탈을 부도체화 하는 것이다. 본연구단은 주사터널링 현미경의 미세한 탐침으로 전압펄스를 주입해 전하밀도파를 국소적(nm 범위)으로 깨는 기술을 개발했다. 이로 인해 부도체가 도체로 상전이하여 전류가 흐를 수 있게 된다. [그림=IBS 제공]

아주경제 최서윤 기자 = 기초과학연구원(IBS)은 원자제어저차원전자계 연구단(단장 염한웅)이 모트 절연체(용어설명 참고)의 금속-절연체 상전이(용어설명 참고)를 이용한 초고속 나노소자 기반기술 개발에 성공했다고 22일 밝혔다. 상전이 조작은 차세대 메모리로 유망한 P램(용어설명 참고) 제조의 핵심 기술이다.

이번에 고안된 기술은 기존보다 약 1000배 빠른 속도로 1000분의 1 수준의 미세한 범위까지 상전이가 가능해 초고속·고집적·고용량 P램 제조의 가능성을 열었다고 IBS는 설명했다. 

물질은 전류가 흐르는 정도에 따라 도체와 부도체(절연체)로 나뉜다. 대표적인 도체는 금속이 있으며 금속결합으로 자유전자가 있어 전류가 흐르기 쉽다. 반면 부도체는 나무, 고무, 유리 등의 금속을 제외한 대부분의 물질로, 공유결합이나 이온결합을 하며 자유전자가 없어 전류가 흐르기 어렵다. 이에 연구진은 특정 부도체에 아주 미세한 전압펄스를 가해 신속하고 정확하게 도체와 부도체의 경계를 넘나들게 하는 데 성공했다.

연구진은 모트 절연체인 극저온상태(4.3K, 영하 268.85도)의 이황화탄탈(1T-TaS2)에 주사터널링현미경(STM)으로 전압펄스를 가했다. 나노미터(nm, 10억분의 1미터) 수준의 미세영역에 피코초(ps, picosecond, 1조분의 1초) 반응속도로 상전이를 일으키게 했다.

이황화탄탈 모트 절연체는 광자펄스로 상전이가 가능다는 것이 기존 연구에서 증명된 바 있으나 전압펄스로 상전이에 성공한 것은 이번이 처음이다.
 

염한웅 IBS 원자제어저차원전자계 연구단 단장 [사진=IBS 제공]

이번 연구결과는 STM 미세탐침을 활용해 전자회로 기반 고집적 나노 소자 구현의 가능성을 확인한 데 그 의의가 있다.

광자의 경우 복잡한 광학장비가 필요하고 적용 범위가 수 마이크로미터(µm, 100만분의 1미터)에 달해 고집적·고용량화가 힘들었다.

이번 연구를 주도한 조두희 연구위원은 “반복적인 실험에서도 이황화탄탈의 결정구조가 변하지 않았으며, 전이된 상태도 장시간 지속돼 정보기록에 용이함을 보여줬다”며 “그렇지만 이번 경우도 극저온(4.3 K) 초고진공의 실험환경에서 성공한 것이어서 상온에서 이황화탄탈과 같은 성질을 갖는 소재를 찾는 것이 남은 과제”라고 밝혔다.

이번 연구결과는 과학계 권위있는 학술지 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)에 22일 실렸다.


☞ 모트 절연체
부도체의 한 종류다. 일반적인 부도체는 공유결합이나 이온결합으로 전자 결속력이 높아 자유전자가 없으므로 전류가 흐르지 않는다. 이에 반해 모트 절연체는 자유전자가 있으나 전자간의 척력 때문에 전자가 고립되어 움직일 수 없는 특수한 부도체이다.

☞ 상전이
온도, 압력, 조성 등 조건변화에 의해 물질의 상(相, 도체·부도체, 고체·액체·기체 등 물리적·화학적 성질)이 다른 상으로 변화하는 것을 뜻한다.

☞ P램(Phase-change Random-access Memory)
특정 물질의 상(相)전이를 이용해 데이터를 저장하는 차세대 메모리 반도체이다. 전원이 끊겨도 저장된 정보가 지워지지 않는 플래시메모리의 비휘발성 장점과, 전원이 끊어지면 저장된 자료는 소멸되지만 빠른 처리 속도를 자랑하는 디램보다 1000배 이상 빠른 초고속의 장점을 모두 지니고 있다.

☞ 이황화탄탈(TaS2)
황(S)과 탄탈럼(Ta)가 층상으로 위치한 고체물질로 350k 이상에서는 도체, 극저온에서는 부도체의 성질을 갖는다. 분자식은 같으나 원자의 공간배열이 다른 이성질체들이 있으며, 배치에 따라 1T(Trigonal), 2H(Hexagonal), 3R(Rhombohedral)로 나뉜다.

☞ 주사터널링 현미경 (Scanning Tunneling Microscope)
전자가 물결을 흐르듯 파동 함수 형태로 움직이는 원리를 이용한다. 시료표면에 탐침으로 전자를 쏜 후, 전자가 시료를 통과하는 정도로 시료의 구조를 파악한다. 차세대 나노소자 또는 단 원자(분자) 소자 개발을 위한 기초 연구에 핵심적인 측정 장비로 꼽힌다.

전하밀도파 (Charge Density Wave)
일부 저차원 도체들은 전자와 격자간의 강한 상호작용 통해 저온에서 격자 뒤틀림과 함께 전하 재분포를 보이게된다. 이 때 새로이 형성되는 일정간격을 둔 정적 전하 분포를 전하밀도파라고 부른다.