저항변화형 메모리(RRAM 또는 ReRAM; Resistive Random Access Memory)는 고속 동작, 저전력 소모, 낮은 구동전압, 그리고 뛰어난 확장성 덕분에 많은 관심을 받고 있다. 지금까지 CuO, TiO2, 그리고 HfO2까지 다양한 산화 전이금속들이 RRAM의 후보 물질로써 연구가 이루어졌다. 하지만 제조 과정에서 200~300도의 고온을 요구하기 때문에 유연한 기판 활용에 있어 제한이 크고, 대부분의 플렉서블 전자소자가 유기 화합물 기반으로 구성되는데, 성능면에서 크게 뒤쳐지고 있는 실정이다.
중국 Fudan University의 연구진은 산화 그래핀 기반 플렉서블 저항 스위칭 메모리에 있어서 SET과 RESET 동작의 속도 차이에 관한 메커니즘을 분석했다. 연구 결과는 2012년 2월 10일자 Applied Physics Letters지에 “The mechanism of the asymmetric SET and RESET speed of graphene oxide based flexible resistive switching memories”란 제목으로 게재됐다.
일반적으로 금, 은, 구리, 그리고 알루미늄과 같은 표면에 산화 그래핀(GO; Graphene Oxide)을 증착하기 어렵다. 알루미늄은 그래핀과의 전기적 상호작용이 매우 약하다. 금속 표면 위에서의 그래핀 용액의 접촉각(contact angle)은 그래핀의 균일도 및 포함 영역을 결정짓는 중요한 요소라 할 수 있다. 연구진은 ITO/PET 기판 위에 50 방울의 산화 그래핀 용액을 드랍(drop)하고 스핀 코팅함으로써, drop당 0.3~0.4 nm의 그래핀 증착 속도를 얻어낼 수 있었다. 그리고 쉐도우 마스크와 함께 300 um 두께의 알루미늄 상부 전극을 형성했다.
산화 그래핀은 19.7 nm 두께로, 5 x 5 um2 영역에 대해 원자힘현미경(AFM; Atomic Force Microscopy) 측정 결과 0.96 nm의 평균 거칠기를 나타냈다. 전류-전압 특성을 측정해보면, 먼저 sp3 하이브리드 형태의 탄소 결합에 따른 높은 저항 상태(HRS; High Resistance State)를 확인할 수 있다. 상부 알루미늄 전극을 통해 2.2 V 이상의 양의 전압이 인가되면, 그림 2와 같이 낮은 저항 상태(LRS; Low Resistance State)로의 변환이 일어난다. 이러한 과정은 소자의 “SET”이라 하고, -3.5V 에서 반대의 과정이 발생하는데 이를 “RESET”이라 할 수 있다.
메모리 전지의 보존 특성을 확인하기 위해 300 mV의 일정한 전압을 인가했다. LRS는 774옴, HRS는 224000 옴의 저항을 나타냈고, 104 초 이상 동안 안정적으로 상태 유지가 가능했다. 특히 그림 3(a)와 같이 100회의 반복 구동 속에서도 아무런 문제가 없었다. 상온에서의 SET과 RESET 상태의 전압 분포는 3(b)에 나타났다.
이번 연구 결과는 Al/GO/ITO/PET 구조의 유연한 저항 스위칭 소자를 개발한 것으로, 비휘발성 메모리 분야에서의 가능성을 입증한 것이다. 제작된 소자는 훌륭한 보존 시간과 함께 안정적인 소자 특성을 나타냈고, SET 상태와 RESET 상태의 속도 차이는 산소의 확산에 따른 것으로 분석됐다.
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