차세대 나노와이어 'Re램' 개발 쾌거
차세대 나노와이어 'Re램' 개발 쾌거
  • 대학저널
  • 승인 2010.04.19 18:47
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건국대 물리학부 연구팀과 해외 석학이 이뤄낸 연구 성과
한국과 일본 공동 연구진이 기존 플래시메모리를 대체할 수 있는 차세대 메모리인‘Re램’(ReRAM:저항변화 메모리(Resistive switching Memory)의 구동전력을 획기적으로 낮추면서 메모리 집적 효과를 높인 극미세 코발트 산화물 나노와이어 메모리를 개발했다.

이는 WCU(세계수준연구중심대학) 사업으로 국내 대학에 초빙된 해외 석학과 국내 연구진의 공동연구 성과로 고집적․저전력의 차세대 메모리인 Re램의 상용화 가능성을 높이는 새로운 연구 결과다.

▲ 토모지카와이 교수(좌)와 박배호 교수

건국대 물리학부 토모지 카와이(Tomoji Kawai) 교수(일본 오사카대)와 박배호 교수팀은 차세대 나노 소자 물질인 코발트 산화물(Co3O4)로 10 나노미터(nm)(1나노미터=10억분의 1 미터)선폭의 극미세 실 모양의 나노와이어를 개발하고 이를 이용해 Re램 소자를 구성한 결과 구동전력이 획기적으로 낮아지고 부피 대비 표면적이 극대화돼 Re램 소자의 상용화에 필요한 산화-환원 메커니즘 규명에 필요한 중요한 증거를 발견했다고 밝혔다.

Re램(저항변화 메모리)은 현 주력 비휘발성메모리(전원을 꺼도 저장된 정보가 손상되지 않는 메모리)인 플래시메모리의 속도 및 대용량화의 한계를 모두 극복하는 차세대 메모리로 나노 물질인 금속 산화물의 금속 저항의 높고 낮음(저항 변화 현상:Resistive switching)을 디지털정보인 ‘0(off)’과 ‘1(on)’을 저장하는 데 활용한 것이다. 저장 용량이 높은 Re램은 그러나 집적도를 높였을 때 구동 전력이 너무 높아 열이 많이 발생하는 단점이 있어 구동 전력을 낮추는 기술을 개발하는 것이 메모리 용량인 집적도 향상을 위해 가장 시급히 필요했고, 저항 변화 현상의 메커니즘을 규명하는 것이 안정적인 소자 상용화를 위해 반드시 필요했었다.
▲ 코발트산화물 나노와이어

건국대 연구팀이 개발한 단일 코발트 산화물 나노와이어 소자(Single Cobalt Oxide Nanowire)에서는 전류가 흐르는 면적이 최소화됨으로써 구동 전력이 2× 10-8 watt 수준으로 크게 줄었고, 부피 대비 표면적이 극대화됨으로써 메모리 소자의 안정적 상용화에 꼭 필요한 산화-환원 메커니즘의 효과가 확실히 관측되었다.

또한 기존 나노 메모리에서는 2개의 상태만 기억하지만, 건국대 연구팀이 개발한 코발트 산화물 나노 와이어는 2가지 이상의 상태를 기억함으로써 기존 메모리보다 향상된 성능을 보였다.

특히 이번 연구에서 바닥에서 자라는(bottom-up) 방식의 스스로 성장하는(Self-assembled) 폭이 얇고 길이가 긴 형태의 코발트 산화물 나노 와이어로 소자를 구성한 결과 부피 대비 표면적이 극대화돼 주변의 기체와 반응하는 정도가 커져 산화-환원의 증거를 발견할 수 있었다.

게다가 이 메모리 소자는 1억번(10의 8승) 이상의 쓰기· 지우기 작동이 가능한 것으로 확인돼, 실용화 가능성이 매우 높은 것으로 분석됐다. 현 주력 비휘발성메모리인 플래시메모리는 쓰기· 지우기 작동 10만번(10의 5승) 수준이다.

박배호 교수는 “이번 코발트 산화물 나노와이어를 이용한 소자 연구는 저항의 변화에 따라 데이터를 기록하는 Re램의 구동전력 문제를 해결하고 메모리 소자의 크기가 초미세 리소그라픽 이하의 나노 크기로 작아지더라도 충분한 집적도를 가질 수 있는 가능성을 보여준 것”이라고 설명했다.

이번 ‘코발트 산화물 나노와이어의 저전력․ 고집적 메모리 효과’연구는 차세대 메모리인 Re램의 집적도 향상을 위한 나노와이어의 장점을 결합한 다중 상태(multistate) 메모리를 실현한 연구결과로 나노 분야의 세계적 과학저널인 ‘나노레터(Nano Letters)’誌 4월호 온라인판에 게재됐으며 조만간 출간될 예정이다. 미국 화학학회가 발행하는 Nano Letters는 학술 인용지수가 10.371이며 나노 과학 분야 관련 저널 중 인용횟수가 1위인 학술지이다.

Re램은 현재의 주력 소자인 플래시 메모리처럼 전원을 꺼도 저장된 정보가 손상되지 않는 비휘발성에다 정보처리 속도를 획기적으로 높이는 등 플래시 메모리의 속도 및 대용량화의 한계를 모두 극복하는 차세대 메모리여서 이번 연구로 안정화된 저항변화 물질과 공정 개발에 성공함에 따라 고용량 차세대 메모리 상용화를 서두르고 있는 반도체업계의 이목이 집중되고 있다.

나노와이어는 단면의 지름이 1나노미터(10억분의 1미터) 정도의 극미세선으로 초소형, 초박막으로 투명하고 휠 수 있다는 점 때문에 세계를 변화시킬 10대 신기술로 꼽히고 있다. 특히 집적도 한계를 극복하기 위한 차세대 메모리는 전원을 끄면 정보가 사라지는 D램의 휘발성 문제가 없고, D램처럼 빠른 처리 속도의 장점과 플래시메모리의 대용량 정보를 저장 할 수 있는 장점을 결합해 초고속(나노초의 응답속도), 초고집적화, 초저전력의 특성을 요구하고 있기 때문에 세계 각국 연구진들은 이런 특성을 충족시킬 수 있는 저항변화메모리(Re램)의 신재료, 소자구조, 공정기술에 관한 핵심 원천 기술 개발 경쟁을 벌이고 있다.

이번 연구는 교육과학기술부와 한국연구재단의 세계 수준의 연구중심대학(World Class University, WCU) 프로그램의 지원에 의해 건국대 교수로 초빙된 해외석학인 토모지 카와이(Tomoji Kawai)교수(일본 오사카대)와 원소속 기관인 일본 오사카대 연구팀과 건국대 연구팀이 실질적인 공동 연구를 통해 이루어진 결과물로 WCU 프로그램에 따른 해외 석학과 국내 대학 연구진간의 실질적 국제협력이 본궤도에 올랐음을 보여준다.

두 나라 연구팀은 수차례 상호 방문과 토론, 공동연구를 거쳐 코발트 산화물 나노와이어 제조에 성공했으며 코발트 산화물 나노와이어 소자의 다양한 특성을 측정 분석했다.

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