DGIST, ‘쌓기만 했는데’ 메모리 된 그래핀, 원리 밝혀

DGIST(총장 이건우, 대구경북과학기술원) 화학물리학과 김영욱 교수 연구팀이 KAIST 조길영 교수 연구팀과의 공동연구를 통해, 그래핀(Graphene, 탄소 원자 한 층으로 이뤄진 초박막 물질)과 같은 아주 얇은 물질을 샌드위치처럼 겹쳐서 전기로 정보를 쓰고 지울 수 있는 새로운 메모리 원리를 발견했다고 21일 밝혔다.

연구팀은 강유전성(전기장을 가했을 때 물질 내부에 전기 쌍극자가 일정 방향으로 정렬되어 전원을 꺼도 그 상태가 유지되는 성질)이 전혀 없는 그래핀과 α-RuCl₃(루테늄과 염소로 이뤄진 그래핀처럼 아주 얇은 층 구조를 가진 이차원 물질 ) 사이에 아주 얇은 절연체(hBN)를 끼워 넣었다. 놀랍게도 이 구조에서는 계면의 전하들이 재배열되며 마치 강유전 물질처럼 정보를 저장할 수 있는 전기 쌍극자(전하가 분리되어 형성되는 전기적 자석)들이 저절로 생겨났으며, 전기로 정보를 기록하고 지울 수 있음을 확인했다. 이번 연구는 국제학술지 <Nature Communications> 6일 게재됐다.

구조적 변형 없이 계면 전하 재배열만으로 강유전성 구현

우리가 매일 쓰는 스마트폰이나 컴퓨터가 더 얇고 가벼워지려면, 그 안에 들어가는 반도체 부품의 두께도 획기적으로 줄어들어야 한다. 하지만 기존에 정보를 저장하는 강유전 물질들은 두께가 얇아지면 성능이 급격히 떨어지거나, 복잡한 공정이 필요하다는 한계가 있었다. 이 때문에 기존 강유전 물질을 쓰지 않고도 아주 얇은 소재에서 메모리 성질을 구현할 수 있는 새로운 방법에 대한 연구가 활발히 진행돼왔다.

연구팀은 강유전성이 전혀 없는 소재들을 결합해 인공적으로 강유전성을 만들어내는 역발상으로 이 문제를 해결했다. 꿈의 신소재라 불리는 그래핀과 α-RuCl₃ 사이에 아주 얇은 절연체(hBN, 육방정질화붕소)를 샌드위치처럼 끼워 넣는 획기적인 방법을 고안했다.

그래핀 기반 이차원 이종구조(서로 다른 얇은 물질을 겹쳐 만든 구조)에서 계면 물성은 새로운 전자 상태와 기능성을 구현할 수 있는 핵심 요소로 주목받아 왔다. 연구팀은 그래핀과 α-RuCl₃가 접합된 이종구조에서 자발적으로 형성되는 계면 전기 쌍극자와, 이 쌍극자의 전기적 스위칭 현상을 실험적으로 관찰했다.

외부 자기장과 무관하게 게이트 전압에 의해 쌍극자 방향이 가역적으로 전환되며, 이 과정에서 강유전 물질과 유사한 히스테리시스(이력 현상, 전압을 높였다 낮췄을 때 물질의 상태가 다른 경로를 따라 변하는 현상) 특성이 나타남을 확인했다. 이 현상은 계면 전하 이동으로 인한 전기적 에너지 장벽과 열적 활성화 효과로 설명될 수 있으며, 이론 계산을 통해 그 물리적 기원이 뒷받침됐다.

이번 성과는 기존 연구와 비교해 두 가지 측면에서 차별성을 가진다. 첫째, 그래핀 기반 이차원 이종구조에서 결정 구조의 비틀림이나 기계적 변형 없이, 순수한 계면 전하 이동만으로 전기적으로 제어 가능한 비휘발성(전원을 꺼도 정보가 유지되는 성질) 쌍극자 상태가 형성될 수 있음을 실험적으로 처음 입증했다는 점이다. 이는 기존 강유전 물질이나 비틀린 구조에 의존하던 접근과 근본적으로 다른 새로운 메커니즘이다.

둘째, 단순히 강유전과 유사한 히스테리시스 특성을 관찰하는 데 그치지 않고, 쌍극자 스위칭이 계면에서 형성되는 에너지 장벽과 열적 활성화에 의해 제어됨을 실험과 이론을 통해 일관되게 설명했다는 점에서 의미가 크다.

영하 243도에서 작동, 5개월 이상 정보 유지

연구팀이 개발한 소자는 영하 약 243도(30K, 켈빈 온도 단위로 절대영도보다 30도 높은 온도) 부근에서 가장 안정적으로 작동했으며, 한 번 저장된 정보는 전원을 꺼도 5개월 이상 유지되는 탁월한 비휘발성을 보였다. 또한 이 현상은 외부 자석의 힘(자기장)이나 방향에 영향을 받지 않고 오로지 전기적인 상호작용으로만 제어할 수 있어, 기존 방식보다 훨씬 안정적이고 효율적이다.

김영욱 교수는 “이번 연구는 인위적인 구조적 변형 없이도, 단순히 물질을 쌓아 올리는 것만으로 전기를 제어하는 새로운 물성을 발견했다는 점에서 의미가 크다”며 “향후 이 기술을 활용해 극저온에서 작동하는 양자 컴퓨터의 메모리 소자나 초절전 차세대 반도체 개발에 속도를 낼 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구 성과는 차세대 저전력 전자소자와 메모리 기술 개발에 중요한 기초로 활용될 수 있다. 특히 구조적 변형 없이 전기적으로 쓰고 지울 수 있는 비휘발성 상태를 구현했다는 점에서, 기존 강유전 메모리의 한계를 보완할 수 있는 새로운 플랫폼을 제시한다. 또한 그래핀 기반 이종구조에서의 계면 쌍극자 제어는 초저전력 스위칭 소자, 고집적 메모리, 나아가 전기적 자유도를 활용한 양자 정보 소자로의 확장 가능성도 가진다.

다만 실용화까지는 여전히 해결해야 할 과제가 남아 있다. 이번에 관찰된 계면 쌍극자 스위칭은 비교적 낮은 온도 영역에서 안정적으로 나타나기 때문에, 보다 넓은 온도 범위에서 동일한 현상을 구현할 수 있는 조건 탐색이 필요하다. 또한 쌍극자 상태를 보다 안정적으로 제어하고, 대면적 소자 및 집적 공정으로 확장하기 위한 기술적 진보가 요구된다.