성균관대학교 산학협력단

기계공학부 김태성 교수 연구팀, 누르는 힘만으로 작동하는 차세대 인공지능 반도체 소자 개발

- 차세대 인공지능 반도체 소자의 저전력화 및 소자 신뢰성 확보 기대

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

* 멤리스터(Memristor): 메모리(memory)와 저항(resistor)이 합쳐진 전자 소자로, 메모리와 프로세스가 통합된 기능을 수행하는 차세대 메모리 소자.

차세대 논 폰노이만 구조에 쓰일 수 있는 차세대 소자로 주목받고 있는 멤리스터 소자는 저전력으로 인메모리 컴퓨팅, 가중치 저장 등의 기존 반도체 소자 대비 다양한 강점을 갖고 있지만, 실용적인 대용량 인공신경망 컴퓨팅(Large-scale neural computing)을 구현하기 위해서는 각 멤리스터 소자의 신뢰성 확보가 필수적이다.

하지만 멤리스터 소자가 지니는 가장 큰 한계점은 이온의 이동의 무작위성으로 이러한 확률론적 이온 거동은 전통적으로 멤리스터 소자의 신뢰성 및 재현성에 악영향을 끼친다는 치명적인 한계가 있어 상용화가 불가능했다. 이러한 확률론적 한계를 해결하기 위하여 연구팀이 주목한 것은 나노미터(nm)에서 발생하는 변전효과(flexoelectric effect)*다.

* 변전효과(flexoelectric effect) : 외부의 힘으로 재료의 격자 구조가 휠 때 내부에 분극과 전기장이 발생하는 현상. 해당 연구에서의 변전 효과는 물질 내 격자 구조의 변형으로 전체 분극 합계를 수직 방향으로 이동시키고, 이는 물질 내부 격자에 -Z 방향의 내부 자체 변전장을 형성.

변전효과는 외부의 힘으로 재료의 격자 구조가 휠 때 내부에 분극과 전기장이 발생하는 현상으로, 2011년 학계에 물질이 나노미터(㎚) 크기로 작아질 때 변전효과가 극대화된다고 보고된 바 있다. 하지만, 나노미터 수준의 변전효과를 기반으로 물질 내에서 원하는 위치에 선택적으로 상변화 및 이온 이동을 활성화하기 위해서는 기존 선행 연구의 변전효과보다 훨씬 더 큰 격자 구조의 변형이 요구된다.

따라서, 기존 선행 연구보다 물질의 변전효과를 공간적으로 극대화시키기 위하여 연구진은 원자힘 현미경(AFM)* 탐침으로 프리스탠딩(free-standing)** 상태인 이종 접합에 수직 방향의 응력을 가하여 특정 영역에서만 선택적으로 강이온성 물질의 자체 변전장과 하부 강유전 분극을 극대화시켰다. 연구진은 국소적으로 극대화된 변전효과로 인해 특정 영역에서만 선택적으로 성장한 전도성 필라멘트 관측에 성공하였으며, 더 나아가 하부 강유전 분극의 변조에 의해 가역적으로 전환된 상변화 임계 전압을 기반으로 나노미터 수준의 영역에서 전도성 필라멘트의 공간적 능동 제어에 성공하였다.

* 원자힘 현미경(AFM): 나노 미터 수준의 탐침을 이용하여 탐침과 시료 표면의 원자 사이에 작용하는 반데르발스 힘을 검출하여 표면 이미지를 측정 및 계측하는 장비.

** 프리 스탠딩(free-standing): 별도의 지지체 없이 그 자체로 형태 및 구조의 유지가 가능하며 자체적인 지지구조를 갖는 상태.

▲ 탐침 유도 변전장 기반으로 구현된 차세대 프리스탠딩 강이온성 멤리스터 소자 플랫폼

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 제어하여 반도체 소자 성능 및 신뢰성 향상에 크게 기여할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

본 연구는 한국연구재단과 한국기초과학연구원의 지원으로 수행되었으며 연구 성과는 세계적인 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 6월 18일 게재되었다.

※ 논문명: Free-standing two-dimensional ferro-ionic memristor

※ 저자명: Taesung Kim (교신저자), Jinhyoung Lee, Gunhoo Woo (제1저자), Jinill Cho, Sihoon Son, Hyelim Shin, Hyunho Seok, Min-Jae Kim, Eungchul Kim, Ziyang Wang, Boseok Kang, Won-Jun Jang (공동저자)

※ 논문 링크: https://www.nature.com/articles/s41467-024-48810-3(DOI: 10.1038/s41467-024-48810-3)