나노기술 및 정책 정보

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에너지 효율적이며 고성능의 상용 전자 장치를 개발하는 것은 우리 사회의 현 과제 중 하나이며, 소형 전자 장치 일수록 에너지 소비가 적고 성능과 다 기능성을 갖추고 있음.

바르셀로나 재료 과학 연구소(ICMAB, CSIC)의 연구원들은 나노기술과 양자 효과를 활용하는 장치에 통합된 광 반응성 강유전성 재료를 연구함. 메모리 요소는 고유한 저항 상태(ON/OFF)에서 비휘발성 정보를 저장하도록 설계되었음. 적합하게 설계된 경우 전기 저항이 펄스 광에 의해 변조될 수 있다는 것을 발견함. 즉, 광 펄스를 적용하는 것만으로도 저 저항에서 고 저항 상태로 전환할 수 있음.

컴퓨팅 및 데이터 저장에 사용되는 장치의 경우 전기 저항의 비휘발성 광학 제어가 잠재적인 관심사이며, 비휘발성의 경우 전력이 공급되는 경우에도(심지어 전원이 꺼져있을 때에도) 장치에 정보를 저장할 수 있음을 의미함.

현재 비휘발성 데이터 저장을 위해 광 신호를 사용하려면 광전자 센서와 메모리 장치의 두 가지 장치가 필요함. 본 연구에서는 펄스 광에 의해 저항을 조절할 수 있는 단일 재료인 광 강유전성 재료에서 이러한 특성을 특징적으로 보여줌.

강유전성 물질은 전기적으로 전환 가능한 자발적인 비휘발성 전기 분극을 가지고 있음. 적합한 금속 사이에 끼인 이러한 물질의 강유전성 초박막에서 터널링 전류라고 하는 양자 역학적 현상 효과가 나타남. 이 효과는 전하 전류가 극성의 방향에 따라 달라지는 양으로 절연된 강유전체 층을 가로 질러 흐르게 함.

장치에서 먼저 전기장을 사용하여 ON/OFF 상태를 기록하고, 광학 자극과 결합하여 상태의 ON/OFF 변화를 촉진하고 저항을 가역적으로 변조함.

이러한 장치는 두 가지 주요 이유로 에너지 효율적임. 첫째, 충전 전류 흐름이 필요하지 않기 때문에 메모리 상태가 기록될 때 에너지 소비가 감소함. 둘째, 정보가 비휘발성 방식으로 저장되기 때문에 상태가 보존되고 예를 들어 모든 컴퓨터의 현재 RAM 메모리에서 지속적으로 수행되는 것처럼 정보를 새로 고칠 필요가 없음.

관찰된 광 스위치는 연구된 재료에 국한되지 않으므로 이 현상에 대한 추가 연구 또한 기대됨.

이 장치는 광 센서와 메모리 기능을 결합하고, 멤 리스터처럼 작동함. 멤 리스터는 여러 저항 상태를 표시할 수 있는 장치로, 수신한 자극에 신경 모형 컴퓨팅 시스템 개발을 위한 기본 장치 중 하나임. 따라서 개발된 장치는 시스템이 이미지 인식을 학습하는 신경 모형 비전 시스템으로의 통합과 관련된 연구로도 향후 기대해볼만 함.

본 연구 성과는 Nature Communications ("Non-volatile optical switch of resistance in photoferroelectric tunnel junctions")에 게재됨.