2차원 반도체-폴리머 하이브리드 구조로 기존 메모리 한계 극복단일 장치에 광학 감지·데이터 저장 통합 … 고온에서 안정적 작동
  • ▲ 한양대 물리학과 방승호 박사(왼쪽)와 정문석 교수.ⓒ한양대
    ▲ 한양대 물리학과 방승호 박사(왼쪽)와 정문석 교수.ⓒ한양대
    한양대학교는 물리학과 정문석 교수 연구팀이 2차원 반도체와 폴리머를 결합한 하이브리드 구조를 활용해 새로운 광전자 메모리를 개발했다고 29일 밝혔다.

    이번 연구는 기존 폰 노이만 컴퓨터 구조의 한계를 극복할 혁신적인 기술로 평가받는다. 기존 메모리 장치의 한계를 극복하고, 더 효율적이고 다기능적인 전자 시스템 개발의 토대를 마련할 것으로 기대된다.

    최근 전자기기 산업은 '모어 댄 무어(More-than-Moore)' 추세에 따라 소형화를 넘어 기능의 다양화를 추구한다. 국제반도체기술로드맵(ITRS) 2.0에서 강조하는 이 새 접근법은 데이터 수집과 정보 저장·처리 장치의 기능 통합을 목표로 한다.

    그러나 기존 폰 노이만 구조 기반의 광전자 기억장치는 광학 감지와 데이터 저장을 위한 센서와 메모리가 물리적으로 분리돼 있어 에너지 소비와 데이터 전송 속도 면에서 비효율적이라는 단점이 있다.
  • ▲ High-level injection에 의한 단층 텅스텐 디셀레나이드(WSe₂)의 다수 캐리어 변화 및 지속광전류 특성.ⓒ한양대
    ▲ High-level injection에 의한 단층 텅스텐 디셀레나이드(WSe₂)의 다수 캐리어 변화 및 지속광전류 특성.ⓒ한양대
    이에 연구팀은 2차원 반도체 소재에 내재된 결함 준위를 활성화하는 방법에 주목했다. 화학기상증착법으로 성장된 단층 텅스텐 디셀레나이드(WSe₂)에 폴리비닐피롤리돈(PVP)을 도포해 하이브리드 구조를 제작했다. 이 구조는 빛에 노출될 때 정공에서 전자로의 다수 캐리어 전환 현상을 보였다.

    또한 빛이 꺼진 후에도 전류가 지속되는 '지속성 광전류(PPC)' 효과도 나타냈다. 이 소자는 2000초 이상 PPC 효과를 유지해 기존 WSe₂에서는 관찰되지 않았던 현상을 보여줬다. 연구팀은 이 현상이 쇼클리-리드-홀(SRH) 모델로 설명되는 전자 트래핑 메커니즘에 기인한다고 밝혔다.

    연구팀은 온도가 오름에 따라 준-페르미 준위가 상승해 PPC 효과가 향상됨을 확인했다. 433K의 고온에서도 광전자 메모리 기능이 안정적으로 구현되는 것을 입증했다.

    정 교수는 "이번 연구는 2차원 반도체 기반 광전자 메모리 최적화에 중요한 통찰을 제공한다"며 "광학 센싱과 데이터 저장을 하나의 장치에 통합하는 새로운 패러다임의 메모리 기술 발전에 기여할 것"이라고 말했다. 이어 "고온 환경에서도 안정적으로 작동하는 메모리 소자 개발의 가능성을 열었다"고 덧붙였다.

    이번 연구 논문(Harnessing Persistent Photocurrent in a 2D Semiconductor–Polymer Hybrid Structure: Electron Trapping and Fermi Level Modulation for Optoelectronic Memory)은 미국화학회(ACS)가 발행하는 학술지 'Nano Letters'에 지난 14일 표지논문으로 실렸다.

    정 교수와 신소재공학부 안진호 교수가 교신저자, 물리학과 방승호 연구교수가 제1저자로 각각 참여했다.

    이번 연구는 한양대 혁신연구센터(IRC)의 지원을 받아 수행됐다.