우리 학교 전기및전자공학부 윤준보 교수 연구팀이 지난달 28일 세계 최초로 우주 부품 수준의 내방사선 특성을 가지면서도, 일반적인 비휘발성 메모리보다 30,000배 이상의 낮은 프로그래밍 에너지를 갖는 나노 전자 기계식 비휘발성 메모리 소자를 개발했다고 밝혔다. 이용복 박사과정이 주도적으로 참여한 이번 연구는 나노종합기술원 강민호 박사와의 협업을 통해 진행되었다.
 

방사선에 강인한 메모리의 필요성

최근 자율 주행 운송 수단과 같이 안전이 중요한 장치에 사용되는 반도체 메모리가 대기 방사선에 의해 오동작할 확률이 있다는 연구 결과들이 보고되고 있다. 이에 따라 방사선에 높은 안정성을 갖는 메모리 소자의 필요성이 점차 증가해왔다. 하지만 일반적인 반도체 메모리는 동작 원리상 방사선에 취약하다. 반도체 메모리가 방사선에 노출되면 데이터 저장 능력이 감소하거나 손상될 수 있고, 동작 전압이 바뀔 수도 있다. 이로 인해 일상에서 사용되는 일반적인 메모리 소자들은 우주나 원자력 발전소와 같은 고에너지 방사선 환경에서는 사용할 수 없다.

방사선 경화 기술(Radiation hardening technology)은 반도체 메모리를 고에너지 방사선 환경에서 사용하기 위한 방법 중 하나이다. 대표적인 방사선 경화 기술인 삼중화 모듈 중복(Triple Modular Redundancy, TMR) 기술은 동일한 정보를 독립적인 모듈 3개에 저장하고, 정보를 읽을 때 각각의 모듈에 저장된 정보를 모두 검증하여 방사선에 의해 발생했을지도 모르는 데이터 손상을 확인할 수 있다. 그러나 이러한 구조는 기존 메모리 소자보다 에너지 소모와 면적이 최소 3배 이상 커서 일상적인 애플리케이션에 적용하기는 어렵다. 따라서 연구팀은 부가적인 기술의 도움 없이도 방사선에 강인하면서 낮은 동작 에너지를 갖는 메모리 소자 개발의 필요성을 느끼게 되었다.
 

나노 전자 기계식 비휘발성 메모리

방사선에 강인한 메모리 소자 개발을 위해 연구팀이 주목한 것은 나노 전자 기계 기술(Nano Electro Mechanical System, NEMS)이었다. NEMS는 나노 크기의 기계 구조체에 전압을 가해 기계 구조가 실제로 움직일 수 있게 하는 메커니즘을 연구하는 기술로, 방사선에 강인하다는 특징이 있다. 연구팀은 이러한 특징에 착안하여 내방사선 메모리를 개발하고자 했지만, 기존에 없던 새로운 동작 방식과 구조를 개발하는 일에는 오랜 시간이 걸렸다. 이용복 박사과정은 이 과정을 회상하며, “무언가를 치열하게 고민한다면 무의식이 너를 살려줄 것이다”라는 윤 교수의 조언을 되새기며 구조를 고민했다고 언급했다.

고민 끝에 연구팀은 매우 낮은 에너지로도 메모리가 동작할 수 있도록 외팔보(캔틸레버) 구조와 파이프-클립 스프링 구조로 구성된 상부 전극을 도입했다. 끝부분이 구부러진 외팔보 구조는 상부 전극과 하부 전극 사이의 에어갭을 20nm 수준으로 줄여 매우 낮은 프로그래밍 에너지를 구현할 수 있게 만들었다. 또한 파이프-클립 스프링 모양의 나노 기계 구조는 메모리의 반복적인 동작에도 에어갭을 유지할 수 있게 도왔다. 구조에 전류를 가하여 열을 내면, 프로그램된 구조체가 초기 상태로 복구되어 에어갭이 일정하게 유지되는 것이다.

더불어 외팔보와 하부 전극이 계속 붙어 있으려는 힘(점착력)이 외팔보가 원래 상태로 돌아가려는 힘(복원력)보다 크면 외부 인가전압을 제거해도 외팔보가 붙어 있는 상태를 유지할 수 있다. 연구팀은 점착력이 복원력보다 크도록 설계하여 메모리가 비휘발성으로 동작하도록 했다.
 

메모리의 응용 가능성

새롭게 개발된 메모리는 충격이나 진동에도 매우 강인하다. 이에 따라 개발된 메모리는 우수한 내방사선과 높은 에너지 효율을 바탕으로 우주, 원자력 발전소, 항공 분야와 같은 고에너지 방사선 환경에서의 초저전력 인공 지능 시스템만이 아니라, 초안정성 자율주행 시스템과 같은 다양한 미래 산업 분야에 응용할 수 있을 것으로 기대된다. 연구팀은 메모리의 접촉 저항과 동작 전압을 개선하기 위해 새로운 구조와 동작 방식을 도입한 후속 연구를 진행하고 있다고 밝혔다.

이번 연구에 주도적으로 참여한 이용복 박사과정은 “학위 기간 지원과 조언을 아끼지 않고 지도해주신 윤준보 교수님, 메모리 공정 개발을 해주신 나노종합기술원 강민호 실장님, 그리고 좋은 연구실 분위기를 위해 다 함께 노력하고 있는 연구실 분들께 감사드린다”며, 연구에 도움을 준 사람들에게 감사를 전했다.