[더테크 이지영 기자]  차세대 메모리와 뉴로모픽 컴퓨팅 소자로 주목받는 산화물 기반 저항 메모리의 작동 원리가 KAIST 연구진에 의해 밝혀졌다. 빠른 속도와 높은 데이터 보존 능력, 단순한 구조를 갖춘 ReRAM은 기존 메모리를 대체할 차세대 후보로 꼽혀왔으며, 이번 성과는 고성능·고신뢰성 메모리 개발의 핵심 단서를 제공할 것으로 기대된다.

KAIST는 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 박상희 교수 연구팀과 협업해 산화물 기반 메모리의 작동 원리를 세계 최초로 정밀 규명했다고 2일 밝혔다.

연구팀은 여러 종류의 현미경을 결합한 다중모드 주사 탐침 현미경(Multi-modal SPM)을 활용해 △산화물 박막 내부 전자의 흐름 통로 △산소 이온의 움직임 △표면 전위 변화를 동시에 관찰하는 데 성공했다. 이를 통해 메모리에 정보를 기록·소거하는 과정에서 전류 변화와 산소 결함의 상관관계를 규명했다.

특히 연구팀은 이산화티타늄(TiO₂) 박막에 전기 신호를 가해 메모리 기록·소거 과정을 구현하며, 전류 변화가 산소 결함 분포의 변화 때문임을 나노 수준에서 직접 확인했다. 산소 결함이 많아지면 전자의 이동 통로가 넓어져 전류가 잘 흐르고, 결함이 흩어지면 전류가 차단되는 등 산소 결함의 양과 위치가 메모리의 켜짐/꺼짐을 결정한다는 점을 시각적으로 입증했다.

이번 연구는 국소 영역에 한정되지 않고 수 마이크로미터(㎛²) 규모의 넓은 영역에서 전기 신호 인가 후 전류 흐름부터 산소 이온 이동, 표면 전위 변화를 종합적으로 분석했다. 그 결과, 메모리의 저항 변화가 단순한 산소 결함 효과를 넘어 전자적 거동과 긴밀히 얽혀 있음을 밝혀냈다.

또한 연구진은 메모리 ‘소거 과정’에서 산소 이온을 주입하면 고저항 상태가 안정적으로 유지된다는 사실을 확인했다. 이는 메모리 소자의 신뢰성을 높이는 핵심 원리로, 향후 안정적인 차세대 비휘발성 메모리 개발에 중요한 단서가 될 전망이다.

홍승범 교수는 “다중모드 현미경을 통해 산소 결함, 이온, 전자의 공간적 상관관계를 직접 관찰할 수 있음을 입증한 첫 사례”라며, “이번 분석 기법이 다양한 금속 산화물 기반 차세대 반도체 연구·개발의 새로운 장을 열 것”이라고 말했다.