건국대 WCU팀, 초고속 신개념 메모리소자 개발… 네이처 논문 게재
이상욱 교수
이번 연구결과는 세계적 과학 저널인 네이처의 온라인 속보인 ‘네이처 커뮤니케이션 (Nature Communications)지’에 3월1일자로 게재되었다. (공동 주저자 : 건국대 이상욱 교수, 서울대 박승주 박사과정 대학원생, (논문번호: DOI.10.1038/ncomms1227) ).
연구팀은 탄소나노튜브 트랜지스터 소자와 마이크로 전기역학 소자를 결합한 형태의 메모리 셀을 형성하여 차세대 메모리 소자들과 나란히 경쟁할 수 있는 새로운 형태의 메모리를 개발하였다.
이번에 개발된 신개념 소자는 현재 컴퓨터 메모리로 널리 사용되는 플래시메모리의 쓰고 지우는 속도가 느린 단점을 전기역학소자를 이용하여 최대 수천배 이상 향상시키고, 또한 전력소모를 획기적으로 낮춤으로써 차세대 메모리 소자에 대한 새로운 영역을 개척하였다.
연구팀은 탄소나노튜브 트랜지스터 구조에 기존의 플래시 메모리와 같은 플로팅 게이트를 위치시킨 다음 전기역학 스위치가 전하를 게이트에 주입하는 과정을 수행하도록 소자를 설계하였다. 마이크로 전기역학 소자는 탄소나노튜브 트랜지스터가 쓰고 지우는 역할을 담당하며, 게이트에 전하를 직접 주입하거나 제거하여 비트 1(on)과 0(off) 상태를 만드는 방법으로 메모리 소자의 속도와 전력소모를 크게 향상시킬 수 있게 되었다. 이렇게 구현된 메모리 단위 셀은 전기역학 스위치를 통해 직접적으로 전하를 전달함으로써 전하를 주입하거나 제거할 때 드는 전력을 최소화 할 수 있게 되었다.
기존 플래시메모리는 실리콘 기반 트랜지스터의 ‘플로팅 게이트’ 방식이나 ‘차지 트랩 플래시(CTF)’ 방식으로 정보가 저장됐다. 이들 방식은 높은 전압을 트랜지스터에 걸거나 빼 전하를 주입하거나 제거함으로써, 트랜지스터 게이트에 흐르는 전류값을 변화시켜 메모리 단위인 비트를 1 혹은 0으로 구별하면서 정보를 저장하는 방식이었다. 그러나 연구진은 탄소나노튜브 트랜지스터 구조에 기존 플래시 메모리와 같은 플로팅 게이트를 위치시킨 다음 전기역학적 스위치의 온-오프(on-off)를 통해 전하를 게이트에 주입할 수 있도록 소자를 설계했다. 이렇게 구현된 메모리는 단지 전기적 신호에만 의존하는 것이 아니라 기계적 힘을 보완했기 때문에, 전하를 주입하거나 제거할 때 생기는 셀(cell) 간 간섭 현상으로 인한 오작동 위험이 없고 전력 소모를 줄일 수 있다는 게 연구진의 설명이다.
이 외에도 탄소나노튜브에 흐르는 전류값을 전기역학 소자에 가해주는 전압의 변화로 손쉽게 조절하여 하나의 메모리셀에 0과 1(Binary Bits)만이 아닌 여러 상태의 기억 (Multinary Bits)을 가능하게 하여 데이터의 저장 용량을 극대화 할 수 있었다.
이상욱 건국대 교수는 “스위치에 전달하는 전압의 크기를 조절함에 따라 탄소나노튜브에 흐르는 전류값은 최대 8개 이상 구별할 수 있음을 보임으로써 하나의 메모리셀에서 0과 1만이 아닌 여러 상태의 기억을 가능하게 했다는 점도 현재까지의 메모리와 크게 다른 점”이라고 말했다.
탄소나노튜브는 지난해 노벨 물리학상 수상의 주제인 그래핀과 함께 향후 실리콘을 대체할 수 있는 유력한 차세대 물질로 평가되고 있다. 직경이 1 나노미터 (1 나노미터는 10억분의 1미터) 수준인 탄소나노튜브를 이용한 트랜지스터는 실리콘 트랜지스터 보다 응답속도가 매우 빠를 뿐 아니라 트랜지스터를 구동하는데 드는 에너지 또한 매우 낮은 것으로 알려져 있다.
이번 연구에 따르면 새롭게 제시되고 구현된 소자로부터 메모리를 저장하고 지우는 속도는 1,000만분의 1초 수준으로 현재 상용화 되고 있는 플래시 메모리 보다 최대 천배 이상 빠르게 작동하고 있다.
이 속도는 새로운 소자의 전기역학 스위치의 속도에 의해서 결정되기 때문에 현재 연구논문에 제시한 스위치의 크기를 마이크로미터 수준에서 나노미터 수준으로 작게 만들면 메모리의 작동 속도 또한 수천 배에서 수만 배 이상 빨라질 수 있는 가능성을 열어놓고 있다.
탄소나노튜브 트랜지스터와 전기역학 스위치가 구동하는데 사용되는 전력 또한 현재 삼성전자, 인텔 등에서 생산되고 있는 플래시 메모리와 비교하였을 때 수 백 배 이상 낮은 전력소모를 필요로 한다는 점을 밝혀 앞으로 대두되는 에너지 고갈 문제에 대한 해결책도 함께 제시하고 있다.
현재 컴퓨터에 사용되고 있는 실리콘 기반 플래시메모리는 그 구조적 특성으로 인해 높은 전력소모를 필요로 하고 0과 1로 구분되는 비트를 쓰고, 지우는 속도 또한 매우 느린 단점 때문에 아직 하드디스크를 대체할 수 있는 수준이 되지 못한다. 이번 공동연구 결과는 차세대 메모리 후보군으로 거론되고 있는 Re램 (ReRAM: 저항변화 메모리(Resistive switching memory)), P램 (PRAM: 상변화 메모리(Phase change memory)), M램 (MRAM: 자기저항 메모리(Magnetoresistive memory)) 등에 대한 연구가 국내뿐 아니라 전 세계적으로 활발하게 진행되고 있는 시점에서 기존의 연구에서 고려되고 있지 않았던 탄소나노튜브 소자와 전기역학 시스템을 이용한 새로운 개념의 소자가 메모리 소자로 이용될 수 있을 뿐 아니라 그 특성이 다른 어떤 소자들에 비해 뛰어날 수 있음을 보여준 것이다.
한국-스웨덴 탄소기반나노구조 연구센터를 책임지고 있는 서울대 박영우 교수는 “이번 연구는 차세대 반도체 메모리에 대한 인식의 지평을 넓히는 차원을 넘어서 탄소기반 나노구조가 실리콘 반도체를 실제로 넘어설 수 있는 가능성을 보여주었다는 점에서 중요한 결과이며 관련 분야의 연구수행을 위한 적극적인 지원이 필요하다”라고 밝혔다.
건국대 이상욱 교수는 “그래핀 또는 탄소나노튜브를 이용한 나노 전기역학 시스템을 결합한 새로운 형태의 나노 소자를 개발하여 기초 물성 연구 뿐 아니라 반도체 분야에 응용할 수 있는 가능성을 함께 탐구하는 후속 연구를 진행중”이라고 밝혔다.
이번 연구는 교육과학기술부와 한국연구재단의 WCU(세계수준연구중심대학)사업과 해외우수연구소유치 사업의 지원으로 이루어졌다.
서울대 박영우 교수가 주도하는 해외우수연구소유치 사업 (스웨덴측 대표: 매츠 존슨(Mats Jonson) 예테보리대 교수)의 국내외 연구진과 건국대 WCU 사업(건국대 초빙 WCU 해외석학 교수: 엘레노어 캠벨 (Eleanor Campbell, 영국 에딘버러대) 교수) 연구팀의 공동연구 결과로 해외 우수 연구센터와 우수 석학의 활용을 극대화한 결과로 평가되고 있다.
건국대학교 개요
독립운동의 맥동 속에서 태어난 당당한 민족사학 건국대학교는 1931년 상허 유석창 선생께서 의료제민(醫療濟民)의 기치 아래 민중병원을 창립한 이래, 성(誠) 신(信) 의(義) 교시를 바탕으로 ‘교육을 통한 나라 세우기’의 한 길을 걸어왔다. 서울특별시 광진구 능동로 서울캠퍼스와 충북 충주시 충원대로 GLOCAL(글로컬) 캠퍼스에 22개 단과대학과 대학원, 4개 전문대학원(건축전문대학원, 법학전문대학원, 경영전문대학원, 의학전문대학원), 10개 특수대학원을 운영하며 교육과 연구, 봉사에 전념하고 있다. 건국대는 ‘미래를 위한 도약, 세계를 향한 비상’이란 캐치프레이즈 하에 새로운 비전인 ‘르네상스 건국 2031’을 수립, 2031년까지 세계 100대 대학으로 도약하는 것을 목표로 ‘신지식 경제사회를 선도하는 글로벌 창의 인재’를 양성하고 있다.
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