차세대 메모리 안에서 전기가 흐르는 길은 어떻게 만들어질까. KAIST 연구진이 메모리 내부를 입체적으로 관찰하고, 전기를 공급하는 전극 표면의 작은 돌기가 전류 통로를 안내할 수 있다는 사실을 밝혀냈다. 전류 통로를 더 일정하게 만드는 방법을 찾는 데 도움이 될 것으로 기대된다.
KAIST(총장 배충식)는 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 같은 학과 박상희 교수 연구팀과 공동으로 저항변화메모리(RRAM) 내부의 전류 통로를 3차원으로 관찰하고, 전극 표면의 미세한 모양이 통로의 형성과 연결 위치에 영향을 미치는 원리를 규명했다고 12일 밝혔다.
저항변화메모리는 전기가 흐르는 길을 만들거나 끊어 정보를 저장하는 메모리다. 전기가 잘 흐르지 않는 얇은 물질 안에 가느다란 통로가 생기면 전류가 흐르고, 통로가 끊어지면 전류가 잘 흐르지 않는다. 이 두 상태를 구분해 디지털 정보인 ‘0’과 ‘1’을 저장한다. 이때 만들어지는 통로를 ‘전도성 필라멘트’라고 한다.
이 메모리는 전원이 꺼져도 정보를 유지할 수 있고, 구조가 단순하며 빠르게 작동할 수 있어 차세대 저장 기술로 주목받고 있다. 사람의 뇌처럼 정보를 처리하는 인공지능 소자에 활용하기 위한 연구도 진행되고 있다.
하지만 전류 통로가 매번 같은 위치와 모양으로 만들어지는 것은 아니다. 통로가 달라지면 전기가 흐르는 정도도 달라져 정보를 기록하거나 지우는 데 필요한 전압 등이 일정하지 않을 수 있다. 메모리를 안정적으로 작동시키려면 통로의 형성 과정을 파악해야 하는 이유다.
연구팀은 메모리 재료를 얇게 깎아내면서 깊이마다 전류가 흐르는 위치를 측정했다. 이후 여러 장의 ‘전류 지도’를 쌓아 내부 통로의 입체적인 모습을 복원했다. 여러 단면 사진을 모아 몸속을 입체적으로 보여주는 컴퓨터단층촬영(CT)과 비슷한 방식이다.
측정에는 끝이 뾰족한 탐침으로 표면을 살피고 전류를 측정하는 ‘전도성 원자힘현미경’을 사용했다. 연구팀은 단단한 다이아몬드 탐침으로 시료를 조금씩 깎고 측정하는 과정을 반복했다.
실험에는 두께가 10나노미터(nm)인 이산화티타늄 층을 사용했다. 이산화티타늄은 티타늄과 산소로 이뤄진 물질이며, 1나노미터는 10억 분의 1미터다. 연구팀은 이 얇은 층 안에 전류 통로 하나를 만든 뒤 약 0.1나노미터씩 총 100회에 걸쳐 깎아내며 통로의 모습을 추적했다.
관찰 결과, 통로는 위쪽 탐침 부근에서는 넓고 아래쪽 전극으로 갈수록 좁아지는 깔때기 모양을 보였다. 탐침 바로 아래에는 통로가 갑자기 잘록해지는 부분도 있었다.
주요 발견은 통로의 끝이 아래쪽 전극의 작은 돌출부와 연결되는 경향이었다. 전극은 메모리 내부에 전기를 공급하는 부분으로, 겉으로는 평평해 보여도 나노미터 수준에서는 표면에 높낮이가 있다.
연구팀이 전류 통로의 입체 구조와 아래쪽 백금 전극의 표면을 비교한 결과, 통로의 끝은 평평한 곳보다 작게 튀어나온 곳에 연결되는 경향을 보였다. 서로 다른 위치에 만든 5개의 통로에서 공통적으로 확인됐다.
연구팀은 돌출된 부분에 전기장이 집중되기 때문이라고 해석했다. 전기장은 전하를 움직이게 하는 힘이 작용하는 공간으로, 뾰족한 부분에서 강해질 수 있다. 피뢰침 끝에 전기장이 집중되는 것처럼 위쪽 탐침과 아래쪽 전극의 작은 돌기에도 전기장이 모여 통로가 자라는 방향에 영향을 준다는 설명이다.
컴퓨터로 전기장 분포를 계산한 결과에서도 아래쪽 전극의 돌출부 주변에 전기장이 집중되는 현상이 나타났다. 전극 표면의 작은 돌기가 전류 통로를 이끄는 ‘길잡이’ 역할을 할 수 있음을 뒷받침하는 결과다.
연구팀은 통로 안에서 전류가 흐르는 양상도 살폈다. 이산화티타늄 안에는 산소 원자가 빠져나가 빈자리가 생길 수 있다. 이를 ‘산소 공공’이라고 하며, 전류 통로가 만들어지는 데 중요한 역할을 한다.
전류 분포를 분석한 연구팀은 아래쪽 전극에 가까워질수록 산소 공공이 통로 중심으로 모이는 것으로 해석했다. 또 위쪽에서 통로가 잘록해지는 현상은 산소 공공이 새로 생기는 작용과 아래로 이동하는 작용이 함께 일어나면서 나타날 수 있다고 설명했다.
이번 연구는 전류 통로의 모양을 확인하고, 통로가 특정 위치로 이어지는 이유를 전극 표면의 실제 구조와 연결해 설명했다는 데 의미가 있다.
앞으로 전극 표면의 돌기 모양과 위치를 정밀하게 조절할 수 있다면 전류 통로가 원하는 곳에 더 일정하게 만들어지도록 유도하는 데 활용할 수 있다. 이는 정보를 기록하고 지우는 동작이 고르게 이뤄지는 메모리를 설계하는 데 도움이 될 것으로 기대된다.
연구팀은 앞으로 전극의 재료와 표면 모양, 정보를 저장하는 물질의 구성, 작동 조건 등을 바꿔가며 전류 통로가 어떻게 달라지는지 추가로 분석할 계획이다.
홍승범 교수는 “이번 연구는 전도성 필라멘트의 3차원 형상을 단순히 관찰하는 것을 넘어, 그 모양과 끝 위치를 실제 전극의 나노 구조와 연결해 이해했다는 데 의미가 있다”며 “앞으로 전극 표면 구조까지 하나의 설계 변수로 고려한다면 보다 안정적으로 작동하는 차세대 저항변화메모리를 개발하는 데 중요한 기반이 될 것으로 기대한다”고 말했다.
이번 연구에는 KAIST 신소재공학과 박건우 석박통합과정생이 제1저자로, 박상희 교수 등이 공동저자로 참여했으며, 홍승범 교수가 교신저자를 맡았다. 연구 결과는 국제학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 2026년 8월 11일 온라인 게재됐다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단의 핵심연구사업(기초연구b, 과제번호: RS-2026-25487626)과 삼성전자 DS부문 전략산학과제의 지원을 받아 수행됐다.
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