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POSTECH 연구팀, 차세대 메모리 위한 할로겐화물 페로브스카이트 소재 설계

차세대 반도체 메모리, 뛰는 3차원 위에 나는 2차원
차세대 정보저장매체 상용화 앞당긴다

입력 2020-06-29 14:53 | 수정 2020-07-02 17:03

▲ 제일원리 계산 기반 할로겐화물 페로브스카이트 물질 선정 및 이를 적용한 메모리 소자.ⓒ포스텍

POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 연구팀이 3차원이 아니라 2차원 층상구조 소재를 이용한 메모리 소자를 개발함으로써 안정적이며 저전력으로 동작 가능한 차세대 메모리의 상용화 가능성을 열었다.

POSTECH 신소재공학과 이장식 교수, 첨단재료과학부 이동화 교수, 통합과정 박영준씨, 김성훈씨 연구팀은 양자역학에 기반을 둔 제일원리 계산을 이용해 저항변화메모리 소자에 적용될 수 있는 최적의 할로겐화물 페로브스카이트 물질을 설계하는 데 성공했다. 

이 연구결과는 자연과학 및 응용과학 분야의 권위 있는 학술지 ‘어드밴스드 사이언스 (Advanced Science)’에 게재됐다. 
  
차세대 메모리 소자의 이상적인 조건은 대용량의 정보를 저장하고 빠른 속도로 정보를 처리할 수 있으며 전원을 꺼도 정보가 사라지지 않는 비휘발성 성격을 지니고 이동성이 뛰어난 모바일 기기 등에 활용될 수 있도록 낮은 전력으로 동작할 수 있어야 한다.

최근 할로겐화물 페로브스카이트 소재에서 저항변화 현상이 발견돼 저항변화메모리 소자에 적용하기 위해 활발한 연구가 진행되고 있다. 하지만 할로겐화물 페로브스카이트 물질은 대기 중에서 낮은 안정성과 낮은 동작 신뢰성이 문제로 제기돼 왔다. 

연구팀은 제일원리 계산기법을 이용해 여러 구조의 할로겐화물의 상대적인 안정성과 물성을 비교했다. 

계산 결과, AB2X5 형태의 2차원 층상구조인 CsPb2Br5가 기존에 사용되던 3차원 ABX3 구조나 다른 층상구조 (A3B2X7, A2BX4)보다 더 나은 안정성과 물성을 가질 수 있다는 것을 확인했고 이러한 구조에서 향상된 메모리 소자의 성능을 보일 수 있음을 처음으로 제시했다.

이를 검증하기 위해 2차원 층상구조를 가지는 무기물 기반 페로브스카이트 소재인 CsPb2Br5를 합성했고 이를 메모리 소자에 최초로 적용했다. 

기존 3차원 구조의 소재 기반 메모리 소자는 100도 이상에서 메모리 특성을 잃어버리는 것에 비해 2차원 소재를 이용한 경우 140도 이상에서도 메모리 특성을 유지했고 1V 이내의 낮은 전압에서 동작가능한 특성을 보였다. 

이번에 제안된 양자역학에 기반을 둔 제일원리 계산을 적용한 소재 디자인 기법을 활용하면 메모리 소자를 위한 최적의 물질을 빠르게 선별함으로써 신물질 탐색을 위한 시간을 줄일 수 있다. 
   
이장식 교수는 “컴퓨터 계산으로 메모리 소자를 위한 최적의 신소재를 디자인해 실제 메모리 소자 제작에 적용한 것으로 저전력을 필요로 하는 모바일 기기나 신뢰성 있는 동작이 필요한 서버 등 다양한 전자기기들의 메모리 소자에 응용될 수 있다. 고성능의 차세대 정보저장 소자의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다. 

한편 이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 미래소재디스커버리 사업, 중견연구자지원사업 등의 지원을 받아 수행됐다.
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