성균관대, 누르는 힘만으로 작동하는 차세대 AI 반도체 소자 개발

성균관대학교 기계공학부 김태성 교수 연구팀(제1저자 이진형·우건후 석박통합과정생)이 누르는 힘만으로 이온 이동을 선택적으로 제어하는 차세대 프리스탠딩 멤리스터 소자를 개발했다.

해당 연구 성과는 세계적인 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 지난 18일 게재됐다.

20일 성균관대에 따르면 멤리스터(Memristor)는 메모리와 저항이 합쳐진 전자 소자다. 메모리와 프로세스가 통합된 기능을 수행하는 차세대 메모리 소자로 주목받고 있다.

멤리스터 소자는 저전력으로 인메모리 컴퓨팅, 가중치 저장 등의 기존 반도체 소자 대비 많은 강점을 갖고 있지만, 실용적인 대용량 인공신경망 컴퓨팅(Large-scale neural computing)을 구현하기 위해서는 각 멤리스터 소자의 신뢰성 확보가 필수적이다.

하지만 멤리스터 소자는 이온 이동의 무작위성으로 인해 신뢰성과 재현성에 치명적인 한계가 있어 상용화할 수 없었다.

연구팀이 주목한 것은 변전효과(flexoelectric effect)였다. 변전효과란 외부의 힘으로 재료의 격자 구조가 휠 때 내부에 분극과 전기장이 발생하는 현상을 말한다. 해당 연구에서 변전효과는 물질 내 격자 구조의 변형으로 전체 분극 합계를 수직 방향으로 이동시키고, 이는 물질 내부 격자에 -Z 방향의 내부 자체 변전장을 형성했다.

변전효과는 물질이 나노미터(㎚) 크기로 작아질 때 극대화된다고 알려졌다. 문제는 나노미터 수준의 변전효과를 기반으로 물질 내에서 원하는 위치에 선택적으로 상변화 및 이온 이동을 활성화하려면 기존 연구의 변전효과보다 훨씬 더 큰 격자 구조의 변형이 필요했다.

이에 연구진은 변전효과 극대화를 위해 원자힘현미경(AFM)의 나노미터 수준 탐침을 이용해 프리스탠딩(별도의 지지체 없이 자체적인 지지구조를 갖는) 상태인 이종 접합에 수직 방향의 응력을 가했다. 이를 통해 특정 영역에서만 선택적으로 강이온성 물질의 변전장과 분극을 극대화했다. 연구진은 국소적으로 극대화된 변전효과로 인해 특정 영역에서만 선택적으로 성장한 전도성 필라멘트 관측에 성공했으며, 더 나아가 나노미터 수준의 영역에서 전도성 필라멘트의 공간적 능동 제어에 성공했다.

김태성 교수는 "기존 강이온성 물질이 가진 확률론적 한계점을 뛰어넘으며, 변전효과 기반의 이온 이동을 물질의 구조적 관점에서 바라볼 수 있는 연구로, 향후 차세대 반도체 소자 연구에서 이온을 정확하게 공간적으로 제어해 반도체 소자 성능과 신뢰성 향상에 크게 기여할 것"이라고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단과 한국기초과학연구원의 지원으로 수행됐다.