메모리를 촘촘히 연결하면 왜 전기가 샐까?

2026년 9월 9일 NEWS · 논문 공개일 9월 7일
증거 상태: 동료평가 논문(PEER_REVIEWED_FRONTIER). Nature Electronics의 메모리 선택 소자 연구다.

#기억 장치를 많이 붙이면 용량만 늘어나는 것 아닐까?

서랍장에 서랍을 더 달면 물건을 더 넣을 수 있다. 메모리도 저장 셀을 많이 넣으면 용량이 커질 것 같다. 하지만 전자 회로에서는 저장 공간뿐 아니라 원하는 한 곳만 골라 접근하는 방법이 필요하다.

격자 모양의 가로선과 세로선이 교차하는 지점에 저장 셀을 놓는 구조를 크로스바 배열(crossbar array)이라고 한다. ‘3번 가로선과 7번 세로선의 교차점’을 고르는 식으로 주소를 지정할 수 있어, 많은 셀을 촘촘히 배치하는 데 유리하다.

문제는 모든 셀이 같은 배선망에 연결돼 있다는 점이다. 한 곳에 신호를 보냈는데 다른 셀을 거쳐 돌아가는 경로로도 전류가 흐를 수 있다. 이를 우회 전류 경로(sneak path)라고 부른다. 배경 논문

#이웃집 불까지 희미하게 켜지는 상황을 떠올려 보자

아파트 307호의 전등만 켜고 싶다. 그런데 배선이 복잡하게 연결돼 다른 집에도 조금씩 전류가 흐른다면 어떨까?

처음에는 영향이 작아 보여도 연결된 집이 많아지면 문제가 커진다. 원하는 집에 들어간 전기와 다른 집으로 새어 나간 전기를 구분하기 어려워지기 때문이다. 이 비유처럼 메모리에서도 원하는 셀의 상태만 읽어야 하는데 다른 경로의 전류가 섞일 수 있다.

그래서 필요한 것이 선택 소자(selector)다. 기록을 저장하는 서랍 자체가 아니라, 선택된 서랍에만 접근하도록 돕는 문지기에 가깝다.

크로스바 회로에서 의도한 전류 경로와 우회 전류 경로를 비교하는 그림 — **배경 논문 그림** 초록색은 의도한 전류 경로, 노란색은 우회 경로다. 오른쪽은 트랜지스터를 이용한 선택 구조다. 2022년 배경 논문의 Figure 10이며, 이번 2026년 5층 선택 소자의 실험 결과와 구분한다. Foster 외 · Scientific Reports · 2022 · Figure 10 · 출처 · CC BY 4.0 · 원본 변경 없음

#좋은 문지기는 무엇을 잘해야 할까?

문지기가 선택되지 않은 셀을 잘 막는 것은 출발점이다. 선택된 셀에는 전류를 충분히 흘려야 하고, 빨리 열려야 하며, 반복해도 성질이 달라지지 않아야 한다.

너무 단단한 문은 잘 닫히지만 여는 데 큰 힘이 필요하다. 너무 가벼운 문은 열기 쉽지만 원치 않는 상황에서도 열릴 수 있다. 셀마다 문의 성질이 제각각이면 하나의 제어 방식으로 전체 배열을 다루기도 어렵다.

결국 성능표의 한 항목만 높이는 문제가 아니다. 차단, 통과, 속도, 수명, 균일성을 함께 만족시키는 문제다.

#이번에는 다섯 층을 쌓아 전자의 통과 조건을 설계했다

연구진은 그래핀, 이황화몰리브덴(MoS₂), 중심 장벽 재료를 조합한 5층 반데르발스 이종구조(van der Waals heterostructure)를 만들었다. 기본 순서는 다음과 같다.

그래핀 → MoS₂ → 중심 장벽 → MoS₂ → 그래핀

아주 얇은 장벽에서는 전자가 양자 터널링(quantum tunnelling)으로 통과할 수 있다. 연구의 핵심은 장벽을 무조건 얇게 만드는 것이 아니라, 전압에 따라 통과가 크게 달라지도록 여러 재료의 조합을 설계하는 데 있다. ‘5층’은 여기서 말하는 재료 구조의 층이지, 전체 두께가 원자 다섯 개라는 뜻은 아니다. 논문 구조와 원리

그래핀과 이황화몰리브덴, 중심 장벽을 쌓은 5층 선택 소자 구조 — **자체 제작 설명 도식**다섯 층의 역할은 정보를 저장하는 것이 아니라 선택되지 않은 경로의 전류를 막고 선택된 경로를 여는 것이다.JJo · 기사에서 확인한 원문을 바탕으로 재구성 · 실제 측정 Figure가 아님

중심 장벽에는 육방정계 질화붕소(hBN) 또는 황화갈륨(GaS)을 사용했다. 두 구조의 결과는 구분해서 읽어야 한다.

중심 장벽	논문이 보고한 주요 결과
hBN	비선형성 10⁷ 초과, 반복 동작 10¹²회 초과, 응답 20ns 미만
GaS	동작 전압 2.5V, 비선형성 10⁶ 초과

선택 소자를 저항형 또는 커패시터형 저장 셀과 연결한 결과도 제시했다. 위 표의 좋은 숫자들을 한데 모아 ‘하나의 소자가 모든 최고 성능을 동시에 달성했다’고 읽어서는 안 된다. 원 논문의 결과

#이 숫자들은 실제로 무엇을 뜻할까?

비선형성이 크다는 것은 전압이 달라질 때 전류가 단순한 비례 관계보다 훨씬 크게 달라진다는 의미다. 문이 거의 닫힌 상태와 충분히 열린 상태를 잘 구별하는 데 도움이 된다. 다만 비선형성 10⁷을 ‘저장 용량이 천만 배’나 ‘오류가 천만 분의 1’로 바꿔 읽을 수는 없다.

내구성은 반복 동작을 견디는 능력이다. 그러나 반복 시험 횟수만으로 보관 수명이나 완성품의 사용 연수를 계산할 수는 없다. 보관 중의 변화와 사용 중의 반복 스트레스는 서로 다른 시험이다.

응답 시간 역시 선택 소자의 한 특성이다. 큰 메모리 배열에서는 배선과 읽기 회로를 포함한 시간이 더해진다. 문이 빨리 열린다는 사실과 건물 전체를 오가는 데 걸리는 시간은 구분해야 한다.

비선형성, 동작 전압, 속도, 내구성, 균일성이 배열 성능으로 연결되는 도식 — **자체 제작 설명 도식**좋은 선택 소자는 한 개의 최고 수치가 아니라 여러 조건을 동시에 만족하고 대규모 배열에서도 이득을 유지해야 한다.JJo · 기사에서 확인한 원문을 바탕으로 재구성 · 실제 측정 Figure가 아님

#실제 칩이 되려면 무엇이 더 필요할까?

내가 지켜볼 다음 질문은 ‘좋은 소자를 더 만들었는가’보다 많이 만들었을 때도 똑같은가다.

넓은 면적에 재료를 균일하게 형성하고, 여러 층을 맞추며, 이후 공정에서도 특성을 유지할 수 있어야 한다. 작은 소자의 장점이 많은 셀을 연결했을 때 실제 읽기 정확도와 소비전력의 이득으로 남는지도 중요하다.

이 연구의 공개 범위에서 대형 상용 배열의 수율까지 확인된 것은 아니다. 다만 그림에 사용된 실험·시뮬레이션 데이터가 공개돼 있다는 점은 검토를 돕는다. 전체 논문은 구독 접근이 필요하며, 이 글은 공개 초록과 그림·데이터 안내에 근거했다. 공개 데이터

#앞의 자기 메모리 연구와는 무엇이 다른가?

앞의 SOT 연구가 ‘어떻게 기록 상태를 빨리 바꿀까’를 다뤘다면, 이번 연구는 ‘많은 셀 중 원하는 곳만 어떻게 고를까’를 다룬다. 둘 다 기억 장치에 관한 연구지만 해결하는 문제가 다르다.

기억을 만드는 재료만큼, 그 기억에 정확히 접근하는 작은 소자도 중요하다. 이것이 선택 소자 뉴스를 읽을 때 기억할 핵심이다.