국내 연구진이 간단한 용액공정으로 자유자재로 휘어지는 멀티 레벨 메모리 소자를 개발함에 따라, 현재보다 값싼 방식으로 차세대 반도체 메모리의 성능을 2배 이상 높일 수 있는 가능성을 열었다. 

멀티 레벨 메모리 소자는 일반 소자처럼 셀(cell)당 ‘읽기’와 ‘쓰기’뿐만 아니라 4가지 이상의 상태를 저장할 수 있는 소자로 멀티 레벨이 가능하게 되면 같은 크기의 소자로 2배 이상의 집적도를 올릴 수 있다.

연세대 박철민 교수와 황선각 박사과정생이 주도한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 지원하는 선도연구센터지원사업(ERC)으로 수행되었으며, 재료과학 분야의 권위 있는 학술지인 ‘Advanced Materials’지 최신호(11월 20일자)에 내부 표지논문으로 게재되었다. (논문명: Flexible Non-Volatile Ferroelectric Polymer Memory with Gate-Controlled Multilevel Operation.) 

외부에서 전기장이 가해지지 않아도 전기 양극이 생기는 현상을 유지하는 물질로 차세대 유연한 반도체 메모리로 주목받는 강유전체 메모리는 강유전체를 절연막으로 사용하며, 여기에 전압을 가하여 분극(전기 양극)의 방향을 조절함으로써 정보를 저장할 수 있는 메모리이다.

강유전체 메모리는 속도가 빠르고 전원 없이도 정보가 지워지지 않는 등 장점이 많아 전 세계 공학자들이 주목하고 있으며, 유연한 디스플레이 소자 상용화 추세에 따라, 유연한 메모리에 대한 시장의 수요도 증가할 것으로 예상되며, 이를 위한 차세대 메모리 소자에 대한 연구도 활발히 진행중이다. 최근에는 용액공정이 가능하고 유연한 특성을 가진 고분자 유기물을 이용한 메모리 소자 개발연구가 주목받고 있다.

지금까지 고분자를 이용한 휘어지는 메모리(저항 또는 플래시 메모리)는 여러 차례 개발되었지만, 대부분 하나의 셀(Cell)당 1bit, 즉 0과 1의 두 가지 상태만을 저장할 수 있는 집적도가 낮은 소자였다. 또한 고분자를 이용하여 제조하는  저항메모리의 경우에는 여러 가지 상태를 저장할 수 있는 멀티 레벨의 특성을 보이기도 하지만 유연성이 없으며, 셀에 쓰고 지우기를 어느 정도 반복하면 메모리 소자로서의 기능을 잃게 되는 낮은 신뢰성의 단점이 있었다. 

박철민 교수 연구팀은 전압의 크기를 변화시킴으로써 강유전체 고분자의 분극을 부분적으로 조절할 수 있다는 사실을 처음으로 규명하고, 이 원리를 이용해 신개념의 유연한 ‘멀티 레벨’ 강유전체 고분자 메모리를 개발하는데 성공하였다. 

 고집적화 메모리 소자 개발을 위해서는 소자의 크기를 줄여야 하며, 이를 위해서는 가격도 비싸고, 복잡한 공정(리소그래피)이 필요했다. 그러나 박 교수팀은 강유전체 고분자에 잔류한 분극을 조절하는 기술을 활용하여, 기존의 소자보다 집적도가 높은 메모리 소자를 저렴하면서도 간단한 용액공정을 통해 제작하는데 성공함으로써, 차세대 유연한 메모리의 상용화 가능성을 높였다.

또한 메모리에 쓰이는 반도체 물질로 고분자 물질을 이용해 제작함으로써, 기존에 개발된 유ㆍ무기 복합 메모리 소자보다 더욱 유연하고, 2개 상태만을 기록하는 기존의 고분자 메모리와 달리 4가지 이상의 상태를 기억하는 등 기존의 메모리보다 특성과 성능이 획기적으로 향상되었다.

박철민 교수는 “이번 연구는 전압으로 강유전체 고분자의 분극을 부분적으로 조절할 수 있다는 사실을 처음으로 규명하고, 이 현상을 실제 메모리 소자에 적용하여 전 세계 선진기업에서 주목하고 있는 유연한 고분자 메모리 소자의 집적도를 높이는 원천기술을 확보했다는 점에서 의미가 크다”고 연구의의를 밝혔다. 

<기사출처 | 교육과학기술부 보도자료>