초고속 저항변화메모리 소자 개발

할로겐화물 페로브스카이트 소재는 저항변화 특성을 제어할 수 있어 차세대 메모리 소자를 위한 신소재로 연구되어 왔으나 느린 동작 속도가 실용화에 한계점으로 지목되어 왔다.

이장식 교수와 이동화 교수는 공동 연구를 진행해 제일원리계산과 실험적 검증을 통한 초고속 동작이 가능한 할로겐화물 페로브스카이트 소재를 설계하고, 이를 저항변화메모리 소자로 적용 가능한 기술을 개발했다.

제일원리 계산는 양자역학 이론에 기반하여 소재의 특성 및 현상을 이해하고 예측하기 위한 방법으로 경험적인 값에 영향을 받지 않고 양자역학적 해석에 기반하여 원자들 사이의 상호작용을 정확히 기술하기 때문에 높은 예측력을 가진다.

제일원리 계산기법을 적용해 다양한 구조를 갖는 할로겐화물 페로브스카이트 물질들의 물성을 비교햇다.

계산을 통하여 다이머 구조의 Cs3Sb2I9 (dimer-Cs3Sb2I9) 할로겐화물 페로브스카이트 소재의 경우 기존 페로브스카이트 소재들보다 빠른 속도의 동작 가능성을 찾아내었다.

실험적 검증을 위하여 선정된 소재인 무기물 기반 할로겐화물 페로브스카이트 Cs3Sb2I9 (dimer-Cs3Sb2I9)를 합성하였고, 이를 메모리 소자에 적용하였다.

개발된 메모리 소자는 20 ns (1 ns = 10억분의 1초)의 동작 속도를 보였으며, 같은 조성의 다른 결정구조를 갖는 층상구조의 Cs3Sb2I9 (layer-Cs3Sb2I9)를 사용한 메모리 소자에 비하여 100배 이상의 빠른 속도로 동작하는 우수한 특성을 보였다.

개발된 할로겐화물 페로브스카이트 물질 기반 메모리 소자는 빠른 동작 속도를 가지고 있어 향후 고속 처리능력을 필요로 하는 인공지능, 슈퍼컴퓨터 등의 다양한 전자기기들에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

또 기존 페로브스카이트 소재에서 문제로 제기되었던 납(Pb)이 포함되지 않은 소재를 이용하여 메모리 소자를 제작하였기 때문에 환경오염 등의 문제를 해결했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 미래소재디스커버리 사업과 중견연구지원사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 6월 10일 (온라인) 게재되었다.