기초과학연구원, 초고속 나노 메모리 기반 기술 개발

모트 절연체 이용 차세대 소자 개발 가능성 열어

▲염한웅 단장

▲조두희 연구위원

기초과학연구원(IBS 원장 김두철) 원자제어저차원전자계 연구단(단장 염한웅)이 모트 절연체의 금속-절연체 상전이를 이용한 초고속 나노소자 기반기술 개발에 성공했다.
　
모트 절연체는 전기가 통하지 않는 부도체의 한 종류로 일반적인 부도체와는 달리 전류가 흐르도록 하는 자유전자가 있지만 전자간 서로 밀어내는 힘, 즉 척력으로 전자가 고립돼 움직일 수 없는 특수 부도체다.
　
또 상전이는 조건에 따라 물질이 도체, 부도체, 기체, 액체, 고체, 결정, 반결정상 등으로 물리·화학적 성질이 변화하는 것을 이르며 이러한 상전이 조작은 차세대 메모리로 유망한 P램(Phase-change Random-access Memory) 제조의 핵심기술이다.
　
연구진이 개발한 이 기술은 기존보다 약 1000배 빠른 속도로 1000분의 1 수준의 미세한 범위까지 상전이가 가능해 초고속·고집적·고용량 P램 제조의 가능성을 연 것으로 평가받고 있다.
　
이번 기술을 위해 연구진은 대표적인 모트 절연체인 이황화탄탈(TaS2)중 ‘1T(Trigonal)-TaS2’을 실험소재로 채택했다.
　
이황화탄탈은 350K 이상에서는 도체, 극저온에서는 부도체 성질을 갖는 고체물질로 광자펄스로는 상전이가 증명됐지만 연구진이 진행한 전압펄스에 의한 상전이에 성공한 것은 이번이 처음이다.
　

▲주사터널링현미경으로 이황화탄탈에 전압펄스를 가하기 전(上)과 후(下)의 깨진 전하밀도파.(그림제공= IBS)

연구진은 트리고놀 이황화탄탈(1T-TaS2)에 주사터널링현미경(STM·Scanning Tunneling Microscope)으로 전압펄스를 가해 나노미터(nm·10억분의 1m) 수준의 미세영역에 피코초(㎰ picosecond·1조분의 1초) 반응속도로 상전이를 일으키는 데 성공한 것이다.
　
연구진의 이러한 성과는 STM 미세탐침을 활용해 전자회로 기반 고집적 나노 소자 구현 가능성을 확인할 수 있었다는 데 있다.
　
광자를 이용하면 복잡한 광학장비가 필요하고 적용 범위가 수 마이크로미터(㎛·1백만분의 1m)에 달해 고집적·고용량화가 힘들다.
　
연구를 주도한 조두희 연구위원은 “반복적인 실험에서도 이황화탄탈의 결정구조가 변하지 않았으며, 전이된 상태도 장시간 지속돼 정보기록에 용이함을 보여줬다”면서 “그렇지만 이번 경우도 극저온(4.3K·-268.85℃) 초고진공의 실험환경에서 성공한 것이어서 상온에서 이황화탄탈과 같은 성질을 갖는 소재를 찾는 것이 남은 과제”라고 밝혔다.
　
이번 연구결과는 세계 최고권위의 과학저널 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications, IF 11.470) 1월22일자에 게재됐다.

이승규 기자 esk@