전기화학증착법을 이용하여 산화물 물질 내에 은을 첨가함으로써 10억 배의 저항차이를 보이는 스위치 소자를 제작했다. /사진=한국연구재단차세대 반도체 메모리가 해결해야 할 과제인 누설전류. 사용하지 않아도 자체 소모되는 전류를 줄일 수는 없을까?
한국연구재단은 “은(Ag)을 소재로 나노미터 크기의 반도체 스위치 소자 개발에 성공하여 전력소모를 획기적으로 줄일 수 있는 가능성이 제시됐다”고 16일 밝혔다. 스위치소자는 전압을 걸면 낮은 저항 상태로 변화하고, 전압을 제거하면 다시 높은 저항 상태로 변화하는 현상을 이용하여 전자소자 및 전자기기를 켜고 끌 수 있는 반도체소자를 말한다.
이장식 교수(포항공대) 연구팀은 전기화학 증착법을 이용하여 산화아연(ZnO) 물질에 적정량의 은(Ag)을 첨가함으로써 전류의 흐름을 끊거나 흐르게 할 수 있는 반도체 스위치 소자를 개발했다. 현재 메모리 소자는 많은 양의 정보를 저장할 수 있는 집적도를 높이는데 한계가 있다. 저항의 차이를 이용해 정보를 저장하는 저항 변화 메모리는 전원이 꺼지더라도 저장된 정보가 그대로 유지된다. 하지만 전력 소모가 많고, 저장된 정보를 읽을 때 오류가 나타나기도 한다.
‘은’은 다른 소재에 비해 결정구조를 가진 물질 내에서 쉽고 빠르게 이동한다. 개발된 스위치 소자는 반도체 소자의 안정성이 유지되도록 하는 ‘은’의 적정한 농도를 찾음으로써 이루어졌다. 이를 통해 전류가 거의 흐르지 않는 부도체 영역에서 전류가 아주 잘 흐르는 도체 영역까지 약 10억배의 저항 차이를 보이는 소자를 개발할 수 있었다. 이는 기존 약 만배 정도의 차이를 보인 결과보다 크게 향상된 것이다. 저항값의 차이가 커질수록 반도체 소자의 전원을 켜고, 끌 수 있는 효율이 높아진다. 그만큼 전류의 흐름을 효과적으로 제어할 수 있어 전력소모를 크게 줄일 수 있게 된다.
이장식 교수는 “이 연구는 은을 사용해 전류의 흐름을 제어하고, 효과적으로 누설전류를 줄일 수 있는 새로운 반도체 스위치 소자를 처음으로 개발한 것”이라며 “휴대폰 등에 사용될 차세대 메모리, 많은 전류 공급이 필요한 전력반도체, 시냅스 소자 연구 등에 필요한 인간의 뇌동작을 모방한 반도체인 뉴로모픽 소자 등에 적용할 수 있을 것으로 기대된다”라고 연구의 의의를 설명했다.
미래창조과학부·한국연구재단의 기초연구사업(개인연구), 원천기술개발사업(미래소재디스커버리사업)의 지원으로 수행된 이번 연구 결과는 네이처 자매지인 엔피지 아시아 머티리얼즈 2월 24일자에 게재되었다.
이장식 포항공대 교수. /사진=한국연구재단
