KAIST(총장 이광형) 생명화학공학과 서준기 교수 연구팀이 경북대학교 이태훈 교수 연구팀과 공동으로 나노 소자 내부에서 전기가 켜지고 꺼지는 스위칭 순간을 실시간으로 포착하고, 차세대 메모리 소재의 핵심 작동 원리를 규명했다.

8일 KAIST에 따르면 연구팀은 매우 낮은 극저온 환경에서 물질을 순간적으로 녹였다가 빠르게 냉각하는 방식을 적용해, 머리카락보다 작은 나노 소자 안에서 불규칙한 원자 배열을 지닌 ‘비정질 텔루륨(Te)’을 안정적으로 구현하는 데 성공했다. 텔루륨은 열에 민감해 기존에는 비정질 상태를 유지하며 전기적 특성을 관찰하기 어려웠던 소재다.

이번 연구를 통해 연구팀은 메모리 단위 소재에서 스위칭이 시작되는 전압과 열 조건, 에너지 손실이 발생하는 구간을 구체적으로 확인했다. 특히 비정질 텔루륨에서는 내부 미세 결함을 따라 전류가 먼저 급격히 증가한 뒤 열이 축적되며 물질이 녹는 ‘두 단계 스위칭 과정’이 나타난다는 점을 밝혀냈다.

또한 전류를 과도하게 흘리지 않은 상태에서도 전압이 스스로 커졌다 작아지는 ‘자가 진동’ 현상을 구현해 텔루륨 단일 원소만으로도 안정적인 전기 스위칭이 가능함을 입증했다. 이는 복잡한 재료 조합 없이 저전력·고속 동작이 가능한 차세대 메모리 소재 설계 가능성을 보여주는 결과다.

연구팀은 극저온에서 결정질과 비정질 상태의 텔루륨을 모두 구현해 전기 흐름을 비교 분석함으로써 전기가 언제·왜 켜지고 꺼지는지를 원리 수준에서 설명할 수 있는 기반을 마련했다. 이번 성과는 초고속·저전력 메모리 반도체 소재 개발의 기초 지식으로 활용될 것으로 기대된다.

서준기 교수는 “비정질 텔루륨을 실제 소자 환경에서 구현하고 스위칭 원리를 체계적으로 규명한 첫 연구”라며 “차세대 메모리 및 스위칭 소재 연구의 기준을 제시했다”고 말했다.

이번 연구에는 KAIST 허남욱 석박사통합과정생이 제1저자로, 김승환 박사과정생이 제2저자로 참여했다. 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 1월 13일 자 온라인판으로 게재됐다. 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단, 삼성전자의 지원을 받아 수행됐다.