KAIST 연구진은 원자간력 현미경 기반의 다중 관찰 기법으로 이산화티타늄 박막에서 전도도, 산소 빈자리의 농도, 표면 전위 변화와 같은 다중 물성의 변화를 같은 위치에서 지도처럼 시각화해 이온 및 전자적 거동과 연계된 저항 메모리 작동 원리를 규명했다.

연구과정의 개요. 원자간력 현미경 모드 중 하나인 전도성 원자간력 현미경(Conductive atomic force microscopy, C-AFM)를 이용하여 10 nm 두께의 TiO2박막 위에 형성(forming), 리셋(reset) 단계에 해당하는 저항 스위칭을 일으킨 뒤 변화된 전류 변화를 관찰함. 이후 같은 위치에서 전기화학적 변형률 현미경(Electrochemical strain microscopy, ESM), 켈빈 탐침 힘 현미경(Kelvin probe force microscopy, KPFM)의 시그널을 종합적으로 분석하여 저항 스위칭에 영향을 미치는 이온 및 전자적 거동의 공간적 상관관계를 관찰함

 KAIST 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀은 원자간력 현미경(Atomic Force Microscopy, AFM) 기반 다중 모드 측정으로 이산화티타늄(TiO₂) 박막의 저항 스위칭 과정에서 나타나는 전류 경로, 산소 결함(산소 빈자리) 분포, 표면 전위 등의 물성 변화를 같은 위치에서 지도처럼 시각화하고, 이온 및 전자적 거동이 저항 스위칭에 미치는 영향을 공간적 상관관계로 규명했다.

차세대 인공지능 하드웨어와 초고속 저장장치의 수요가 증가하며, 전력 효율을 높이기 위해 저장과 연산을 더 가깝게 결합하려는 기술의 중요성이 커지고 있으며, 그 대안으로 주목받는 기술이 저항 변화형 메모리(Resistive Random-Access Memory, ReRAM)다. 이는 재료의 저항에 따른 전기 신호를 데이터로 저장하나, 작동 과정에서 나타나는 변동성과 신뢰성 문제가 핵심 과제로 남아 있다. 특히 나노미터 규모의 저항 변화 과정에서 어떠한 물성의 변화가 발생하고, 그 변화가 전류가 흐르는 경로를 만들거나 끊는 방식에 관한 복합적인 관찰은 제한적이었다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 스위칭 과정에서 나타나는 다양한 물성 변화를 동일 위치에서 비교할 수 있는 접근을 제시했다. 핵심 장비인 AFM은 탐침을 시료 표면 위로 주사하며 탐침–시료 사이의 미세한 힘을 측정해 표면 정보를 재구성한다. 이때 AFM은 표면 형상 측정에만 머물지 않는다. 다양한 모드를 통해, 전기가 흐르는 위치(전도도 지도), 산소가 비어 있는 자리의 농도(산소 결함 분포 지도), 축적된 전하에 따라 달라지는 전기적 상태(표면 전위 지도) 등을 각각 공간적으로 시각화 할 수 있다. 즉, 전도 경로-결함-전위라는 서로 다른 물성 정보를 지도형태로 얻어 동일 좌표에서 비교함으로써, 스위칭 과정의 이온 및 전자적 거동을 정밀하게 분석할 수 있다.

이에 연구진은 이산화티타늄(Titanium dioxide, TiO₂) 박막에 AFM 탐침으로 전압을 인가해, 정보를 저장하는 형성 단계(forming)와 소거하는 리셋(reset) 단계를 국소적으로 구현했다. 그 결과, 형성 단계 후 전류가 증가한 위치에서 산소 결함의 농도 증가 신호가 함께 관찰되었고, 리셋 단계 후 전류가 감소한 위치에서는 산소 결함 농도 관련 신호 또한 감소하는 경향이 나타났다. 이는 전류가 흐르는 경로가 산소 결함의 생성·소멸에 따른 국소 농도 변화와 공간적으로 연결되어 있음을 시사한다.

또한 연구진은 리셋 단계 후 전도도가 감소하는 구간에서 서로 다른 두가지 과정이 추가로 영향을 줄 수 있음을 제시했다.

첫째는 AFM 탐침으로부터의 전자 주입이다. 리셋 단계의 전기장 하에서는 AFM 탐침에서 산화물 표면으로 전자가 주입되어 음전하가 축적될 수 있으며, 이로 인해 탐침–시료 사이의 정전기적 상호작용이 달라져 물성 신호가 변할 수 있다. 본 연구는 이러한 신호 변화와 해당 특성이 시간에 따라 비교적 빠르게 완화된다는 점을 근거로, 리셋 단계에서 전자 주입 효과를 제시했다. 이때 주입된 전자는 산소 결함 주변에 포획되거나 표면에 과잉 전하로 남아 전자 흐름을 방해함으로써 전도도를 낮추는 방향으로 작용할 수 있다.

둘째는 산소 이온 주입 및 이동이다. 리셋 단계의 전기장 하에서는 산소 이온의 주입이나 이동에 의해 산소가 비어 있는 자리가 메워지는 재결합 반응이 촉진될 수 있고, 그 결과 전류가 흐르던 경로가 끊기면서 고저항 상태가 형성된다. 형성 단계를 거쳐 산소 결함이 충분히 형성된 영역에서는, 이후 리셋 단계에서 산소 이온의 주입과 이동이 더 원활하게 진행될 수 있다. 그 결과 전도 경로가 보다 효율적으로 단절되어, 고저항 상태의 유지가 안정화될 수 있다. 다만 산소 이온 주입이 과도해지면 산소 기체 발생 등으로 소재가 불안정해질 수 있어, 신뢰성 확보를 위해서는 이온 주입을 유리한 수준에서 제어하는 설계가 필요하다고 덧붙였다.

본 연구는 산화물 기반 소재에서 스위칭을 유도하는 요인을 나노미터 수준의 같은 위치에서 직접 비교하고, 물성간 공간적 상관관계를 정밀하게 분석한 사례다. 이를 통해 고신뢰 메모리와 뉴로모픽 소자 설계를 위한 진단·분석 방법론을 제시할 것으로 기대된다.