GIST-KENTECH, '사람 뇌' 닮은 차세대 AI 반도체 소자 개발

(광주=뉴스1) 조영석 기자 = 광주과학기술원(GIST)은 신소재공학과 이상한 교수 연구팀이 한국에너지공과대학교(KENTECH) 오명환 교수 연구팀과 공동으로 사람의 뇌 특성을 닮은 차세대 휘발성 멤리스터를 개발했다고 25일 밝혔다.

연구팀은 약 10nm 크기의 산화코발트 단결정 나노입자를 바둑판처럼 규칙적으로 배열하고, 입자 사이에 평균 약 3nm의 균일한 '나노 틈(nano gap)'이 반복되는 구조를 구현한 뒤 두 전극 사이에 나노입자 배열을 넣어 멤리스터 소자를 제작했다.

멤리스터(memristor)는 가해진 전압이나 전류에 따라 저항 상태가 변하는 특성을 이용해 정보를 저장하거나 처리할 수 있는 차세대 전자소자이다.

이번 연구는 전자소자의 성능이 '무엇으로 만드는가'라는 소재의 특성뿐 아니라 나노입자를 '어떻게 배열하는가'라는 구조에 따라서도 달라질 수 있음을 보여준 것으로, 나노미터 수준의 구조를 정밀하게 설계해 차세대 전자소자 설계의 새로운 방향을 제시했다.

개발된 멤리스터는 약 10nA의 매우 낮은 전류에서 작동했으며, 100회 연속 측정에서도 스위칭 전압의 변동계수가 9% 미만에 그쳐 높은 동작 균일성과 재현성을 보였다.

또 짧은 전기 자극 뒤에는 약 1~2마이크로초 수준에서 빠르게 원래 상태로 돌아온 반면, 강한 자극을 오래 가한 뒤에는 1분 이상에 걸쳐 천천히 회복됐다. 사람의 뇌처럼 하나의 소자에서 금세 사라지는 '짧은 기억'과 비교적 오래 지속되는 '긴 기억'이 모두 나타난 것은 이치다. 이러한 특성은 시간에 따라 변하는 신호를 처리하는 뉴로모픽 정보처리 소자 등에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

이상한 교수는 "이번 연구는 기존에는 전류 흐름을 불규칙하게 만들 수 있는 요소로 여겨졌던 나노입자 사이의 '틈'을 오히려 소자의 동작을 제어하는 설계 요소로 활용했다는 데 의미가 있다"며 "낮은 전류에서 안정적으로 작동하면서 서로 다른 시간대의 회복 특성까지 확인한 만큼, 향후 저전력 뉴로모픽 소자 개발에 활용될 것으로 기대한다"고 말했다.

이상한·오명환 교수가 지도하고 GIST 오인혁 박사과정생, 황준범 박사, KENTECH 강민우 석박사통합과정생이 공동제1저자로 수행한 이번 연구 결과는 복합재료 분야 국제학술지 'Advanced Composites and Hybrid Materials'에 지난 7월 30일 온라인 게재됐다.

kanjoys@news1.kr