초고속으로 동작가능한 차세대 메모리 소자 구현-페로브스카이트 소재 기반 고성능 메모리 소자

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2021. 6. 14.

초고속으로 동작가능한 차세대 메모리 소자 구현-페로브스카이트 소재 기반 고성능 메모리 소자

 

등록일2021.06.14.

 

 

 

초고속으로 동작가능한 차세대 메모리 소자 구현

페로브스카이트 소재 기반 고성능 메모리 소자

 

 

□ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 이장식 교수 (포항공과대학교) 연구팀이 할로겐화물 페로브스카이트를 이용하여 초고속으로 동작할 수 있는 차세대 메모리인 저항변화메모리* 소자를 개발했다고 밝혔다.

    *저항변화메모리: 전원이 꺼지더라도 저장된 정보가 그대로 유지되는 비휘발성 메모리 소자의 일종으로 전압에 따라 저항변화층의 저항 상태가 고저항 상태에서 저 저항상태로, 또는 저저항 상태에서 고저항 상태로 바뀌는 현상을 이용한 메모리 소자.

 

□ 엄청난 양의 다양한 정보의 교환이 활발해지고 인공지능, 자율주행자동차, 사물인터넷, 5G 등 4차 산업혁명 시대의 신기술의 등장으로  대용량의 정보를 빠른 속도로 처리하고 저장할 수 있는 차세대 메모리 소자에 대한 연구가 필요하다.

 

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

 

□ 이에 이장식 교수 주도로 이동화 교수와의 공동 연구를 진행하여 제일원리계산*과 실험적 검증을 통한 초고속 동작이 가능한 할로겐화물 페로브스카이트 소재를 설계하였고 이를 저항변화메모리 소자로 적용 가능한 기술을 개발하였다.

     *제일원리 계산: 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 가짐.

 

□ 제일원리 계산기법을 적용해 다양한 구조를 갖는 할로겐화물 페로브스카이트 물질들의 물성을 비교하였다. 

  ○ 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.

 

□ 본 연구에서 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. 또한 기존 페로브스카이트 소재에서 문제로 제기되었던 납(Pb)이 포함되지 않은 소재를 이용하여 메모리 소자를 제작하였기 때문에 환경오염 등의 문제를 해결하였다. 

 

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

 

주요내용 설명

 

 <작성 : 포항공과대학교 이장식 교수>

 

논문명

Designing zero-dimensional dimer-type all-inorganic perovskites for ultra-fast switching memory

저널명 

Nature Communications

키워드 

Resistive switching memory (저항변화메모리), first-principles calculations (제일원리계산), high-throughput screening (고속대량 스크리닝), halide perovskites (할로겐화물 페로브스카이트), fast switching speed (고속 동작)

저  자

이장식 교수 (교신저자/포항공과대학교), 이동화 교수 (교신저자/포항공과대학교), 박영준 박사과정(공동 제1저자/포항공과대학교), 김성훈 박사과정(공동 제1저자/포항공과대학교).

 

1. 연구의 필요성

 ○ 스마트폰, 태블릿과 같은 모바일 플랫폼을 이용한 콘텐츠의 교환이 활발해짐과 동시에 인공지능, 자율주행자동차, 사물인터넷, 5G 등 4차 산업혁명 시대에 다양한 신기술의 등장으로 인하여 대용량의 정보를 처리하고 저장할 수 있는 새로운 저장 장치에 대한 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 따라서 대용량의 정보를 빠른 속도로 처리하고 저장할 수 있음과 동시에 기존 메모리 소자의 기능을 통합적으로 제공할 수 있는 새로운 메모리인 차세대 메모리 소자 개발이 요구되고 있다. 

 ○ 차세대 메모리 소자를 위한 신물질인 할로겐화물 페로브스카이트 소재는 낮은 동작 전압 및 높은 온/오프비 (on/off ratio) 등 다양한 장점들로 인하여 주목받아 왔으나 그 한계로 느린 동작 속도가 지목되어 왔다. 따라서 이러한 할로겐화물 페로브스카이트를 이용하여 대용량의 정보를 초고속으로 처리할 수 있는 차세대 메모리 소자로 실용화하기 위해서는 고속 동작이 가능한 페로브스카이트 소재 설계 및 핵심 기술 개발이 필수적이다. 

2. 연구내용 

  ○ 본 연구에서는 양자역학에 기반을 둔 제일원리계산*과 실험적 검증을 통하여 초고속으로 동작하는 저항변화메모리 소자*를 개발하였다.

       *제일원리 계산: 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 가짐.

       *저항변화메모리: 전원이 꺼지더라도 저장된 정보가 그대로 유지되는 비휘발성 메모리 소자의 일종으로 전압에 따라 저항변화층의 저항 상태가 높은 저항 상태에서 낮은 저항 상태로, 또는 낮은 저항 상태에서 높은 저항 상태로 바뀌는 현상을 이용한 메모리 소자.

  ○ 제일원리 기반의 고속대량 스크리닝* 기법을 통하여 총 696종의 다양한 구조 및 조성을 가지는 할로겐화물 페로브스카이트 물질의 물성을 비교하여 저항변화메모리 소자를 위한 최적의 페로브스카이트 (dimer-Cs3Sb2I9)를 선별하였다.

       *고속대량 스크리닝 (High-throughput screening): 동시에 다수 물질에 대한 분석을 고속으로 수행하는 고효율 물질 탐색 방법으로 다양한 조합으로 존재할 수 있는 신조성 소재를 제일원리 기반의 밀도범함수 계산을 통해 선별해 내는 방법임. 

  ○ 선별된 물질을 실험적으로 검증하기 위하여 무기물 기반 할로겐화물 페로브스카이트 소재인 다이머 구조의 페로브스카이트 Cs3Sb2I9 (dimer-Cs3Sb2I9)를 합성하였고, 이를 메모리 소자로 적용하였다. 

  ○ 금과 인듐-주석 산화물 (Indium Tin Oxide, ITO)을 전극으로 사용하는 메모리 소자에서 할로겐화물 페로브스카이트는 전압 인가에 따라 저항이 변화하는 저항변화물질로 사용이 가능함을 밝혔다.

  ○ 개발된 메모리 소자는 20 ns에서 메모리 동작이 가능한 초고속 동작 속도를 보였으며, 이는 기존 보고된 할로겐화물 페로브스카이트 메모리 소자들에 비하여 빠른 동작 속도를 보일 뿐 아니라 같은 조성, 다른 결정구조를 갖는 층상구조의 Cs3Sb2I9 (layer-Cs3Sb2I9)를 사용한 메모리 소자에 비하여 100배 이상의 빠른 속도로 동작하는 우수한 특성을 보였다.

  ○ 이러한 결과들은 제일원리 기반 고속대량 스크리닝 기법 및 실험적 검증을 통해 초고속/고성능 메모리 소자를 위한 신물질 설계 방법의 새로운 가능성을 제시하였다. 

3. 연구성과/기대효과

 ○ 본 연구는 제일원리계산 기반의 고속대량 스크리닝 기법을 통하여 초고속 동작이 가능한 메모리 소자를 위한 최적의 할로겐화물 페로브스카이트 물질을 선별하였을 뿐 아니라, 메모리 소자로의 구현을 통하여 초고속/고성능 차세대 메모리 소자를 위한 신물질 설계 및 메모리 소자로 적용 가능한 기술을 개발하였다는데 큰 의의가 있다. 

 ○ 제일원리계산을 활용한 소재 디자인을 통하여 메모리 소자를 위한 최적의 물질을 개발함으로써 신물질 탐색을 위한 시간을 줄일 수 있음과 동시에 빠른 속도로 동작하는 메모리 소자의 개발은 향후 고속 처리능력을 필요로 하는 인공지능, 슈퍼컴퓨터 등의 다양한 전자기기들에 응용될 수 있을 것으로 기대된다. 

 

그림 설명

 

 

 

 

 

(그림1) 제일원리 계산을 이용한 할로겐화물 페로브스카이트 물질 선별 및 이를 통한 초고속 메모리 소자 제작 

제일원리 계산을 이용해 메모리 소자에 적합한 할로겐화물 페로브스카이트 물질을 선별함. 총 696종의 페로브스카이트 후보군들에 대하여 4단계의 선별 과정을 통하여 최종 후보소재를 선정하였음 (상단 그림). 선정된 Cs3Sb2I9 물질을 금(Au)/Cs3Sb2I9/ 인듐-주석 산화물(Indium Tin Oxide, ITO) 구조의 메모리 소자로 제작하여 (하단 좌측 그림) 20 ns의 빠른 속도로 동작하는 메모리 특성을 구현함 (하단 우측 그림). 

그림설명 및 그림제공 : 포항공과대학교 이장식 교수

 

 

 

연구 이야기

 

 

                                       <작성 : 포항공과대학교 이장식 교수>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

 

인공지능, 자율주행자동차, 사물인터넷, 5G 등의 4차 산업혁명 시대의 신기술의 등장으로 인하여 대용량의 정보를 빠른 속도로 처리하고 저장할 수 있는 새로운 저장 장치인 차세대 메모리 소자의 개발은 필수적이다. 이러한 차세대 메모리 소자를 고성능으로 구현하기 위해서는 메모리 소자를 위한 신소재의 개발이 반드시 필요하다. 이에 본 연구팀은 초고속/고성능 차세대 메모리를 위한 신소재를 개발하여 차세대 메모리 소자를 구현하고자 연구를 시작하였다. 

 

 

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

 

본 연구진은 먼저 제일원리 기반의 고속대량 스크리닝 방법을 이용하여 다양한 구조의 할로겐화물 페로브스카이트 물질의 물성을 비교하여 최적의 물질을 선별하였고, 이후 선별된 물질을 합성하고 이 물질을 메모리 소자에 적용하여 메모리 동작 특성 및 신뢰성 분석 등의 연구를 진행하였다.

 

 

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

 

보통의 반도체 소자 연구는 다양한 소재들을 이용하여 직접 소자를 제작하고, 다양한 전기적 특성 평가를 통해 최적의 소재를 찾아내는 방법으로 진행이 된다. 이번 연구는 이러한 기존 방식과 다르게 가장 좋은 소재군을 계산을 통해 선별하고, 이를 실험적으로 증명하는 과정을 통해 진행되었다. 수백, 수천 종의 다양한 소재들을 전부 실험적으로 증명하기에는 너무나 많은 시간과 비용이 드는데 이러한 과정을 계산을 통해 진행하여 가장 우수한 메모리 특성이 나올 가능성이 있는 소재를 미리 선별하였고, 이를 이용하여 초고속으로 동작가능한 메모리 소자를 구현하였다는 데 의의가 있다.

 

 

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

 

본 연구에서 개발한 메모리 소자를 발전시켜 실용화된다면, 향후 고속 처리능력을 필요로 하는 인공지능, 슈퍼컴퓨터 등의 전자기기들에 응용될 수 있을 것으로 기대된다. 개발된 메모리 소자의 실용화를 위해서는 소자의 집적도를 높이는 연구와 공정 최적화를 통하여 소자를 어레이로 구현할 수 있는 기술을 개발할 계획이다.

 

 

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은? 

 

본 연구에서는 초고속으로 동작 가능한 할로겐화물 페로브스카이트 기반 메모리 소자를 개발하였다. 후속 연구로 공정 및 특성 최적화를 통해 고집적 메모리 소자 구현 및 이를 상용화하기 위한 기술을 개발할 예정이다. 또한 본 연구에서 개발한 고속대량 스크리닝 기법을 페로브스카이트 소재 외에 다른 반도체 소재 분야에도 적용하여 우수한 특성의 차세대 반도체 소자 개발 연구를 계속 진행할 예정이다.