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리튬 이온 배터리에서 영감을 얻은 작고 빠르며 에너지 효율이 높은 메모리 장치

2022-04-18

도쿄공업대학



Tokyo Institute of Technology(Tokyo Tech)와 University of Tokyo(UTokyo)의 과학자들은 고체 리튬 이온 배터리에서 영감을 얻은 새로운 3가 메모리 장치를 개발했습니다. 에너지 소비가 매우 낮은 제안된 장치는 현대 컴퓨터에서 유비쿼터스인 보다 에너지 효율적이고 빠른 RAM(Random-Access Memory) 구성 요소를 개발하는 데 핵심이 될 수 있습니다.

거의 모든 종류의 정보 처리를 수행하는 모든 디지털 장치에는 수행된 작업의 입력, 부분 결과 및 출력을 일시적으로 저장할 수 있는 빠른 메모리가 필요합니다. 컴퓨터에서는 이 메모리를 DRAM(Dynamic Random-Access Memory)이라고 합니다. DRAM의 속도는 중요하며 시스템의 전체 속도에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 또한 에너지 효율이 높은 컴퓨팅을 구현하기 위해 메모리 소자의 에너지 소모를 낮추는 것이 최근 화두가 되고 있다. 따라서 많은 연구가 기존 DRAM의 성능을 능가하는 새로운 메모리 기술을 테스트하는 데 중점을 두었습니다.

메모리 칩의 가장 기본적인 단위는 메모리 셀입니다. 각 셀은 일반적으로 0 또는 1의 저장된 값에 해당하는 두 가지 가능한 전압 값 중 하나를 채택하고 유지하여 단일 비트를 저장합니다. 개별 셀의 특성은 전체 메모리 칩의 성능을 크게 좌우합니다. 속도가 빠르고 에너지 소비가 적은 더 단순하고 작은 셀은 고효율 컴퓨팅을 다음 단계로 끌어올리는 데 이상적입니다.

Hitosugi 교수와 Yuki Watanabe 학생이 이끄는 Tokyo Tech의 연구팀은 최근 이 분야에서 새로운 이정표에 도달했습니다. 이 연구원들은 이전에 고체 리튬 이온 배터리 설계에서 영감을 얻은 새로운 메모리 장치를 개발했습니다. 그것은 리튬, 인산 리튬 및 금으로 만들어진 세 개의 고체 층 스택으로 구성되었습니다. 이 스택은 본질적으로 메모리 셀로 기능하는 소형 저용량 배터리입니다. 비트의 두 가지 가능한 값을 나타내는 충전 상태와 방전 상태 사이를 빠르게 전환할 수 있습니다. 그러나 금은 리튬과 결합하여 두꺼운 합금층을 형성하므로 한 상태에서 다른 상태로 전환하는 데 필요한 에너지의 양이 증가합니다.

최근 연구에서 연구원들은 금 대신 니켈을 사용하여 유사한 3층 메모리 셀을 만들었습니다. 그들은 니켈이 리튬과 쉽게 합금을 형성하지 않아 전환 시 에너지 소비가 적기 때문에 니켈을 사용하여 더 나은 결과를 기대했습니다. 그들이 생산한 메모리 장치는 이전 것보다 훨씬 뛰어났습니다. 실제로 2개가 아닌 3개의 전압 상태를 보유할 수 있으며 이는 3개의 값을 갖는 메모리 장치임을 의미합니다. Hitosugi 교수는 "이 시스템은 3가지 충전 상태를 갖는 초저용량 박막 리튬 배터리로 볼 수 있습니다."라고 설명합니다. 이는 영역 효율적일 수 있는 3값 메모리 구현에 잠재적인 이점이 있는 매우 흥미로운 기능입니다.

연구원들은 또한 니켈이 Ni와 인산 리튬 층 사이에 매우 얇은 니켈 산화물 층을 형성하고(그림 1 참조), 이 산화물 층이 장치의 저에너지 스위칭에 필수적이라는 사실을 발견했습니다. 산화물 층은 이전 장치에서 형성된 금-리튬 합금보다 훨씬 얇습니다. 즉, 이 새로운 "미니 배터리" 셀은 용량이 매우 낮기 때문에 미세한 전류를 적용하여 상태 간에 빠르고 쉽게 전환됩니다. . Hitosugi 교수는 "극도로 낮은 에너지 소비 가능성이 이 장치의 가장 주목할만한 이점"이라고 말했습니다.

증가된 속도, 낮은 에너지 소비 및 더 작은 크기는 모두 미래 메모리 장치에 바람직한 기능입니다. 이 연구팀이 개발한 메모리 셀은 훨씬 더 에너지 효율적이고 더 빠른 컴퓨팅을 향한 유망한 디딤돌입니다.