‘초고속·초저전력’ AI용 반도체 핵심소재 개발 성공

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■ 한국재료연구원

한국재료연구원 에너지·환경재료연구본부 김용훈 박사 연구팀이 포항공대 황현상 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 ‘3차원 초고집적 뉴로모픽 시냅스 소자’를 구현하는 데 성공했다. 이번 소자 개발을 통해 인공지능(AI) 반도체 구현이 더 가까워질 것으로 보인다.

연구팀은 200도보다 낮은 온도에서 합성한 ‘판데르발스 2차원 나노소재’를 드레인 전극과 이온 배리어 층에 동시 적용해, ‘수직-반응형 ECRAM(Electrochemical random-access memory) 소자’를 3차원으로 초고 집적화하는 데 성공했다고 밝혔다.

시냅스 소자 구현을 위해서는 이온의 이동을 정밀하게 제어하는 기술이 필요한데, 연구팀은 채널과 이온 전해질 층 사이에 2차원 나노소재로 만든 배리어 층을 통해 이온 이동을 제어하는 데 성공했다. 이를 통해 선형성·대칭성·내구성 등 고성능 시냅스 특성을 구현할 수 있었고, 95.22% 수준의 높은 손글씨 패턴 인식 정확도를 달성한 것을 확인했다.

기존에는 ECRAM 소자에서 전해질 층의 이온 이동 제어를 위한 배리어 층을 제작할 때 그래핀과 같은 2차원 소재를 활용했으나, 전사 과정이 요구되는 특성상 고집적도·고수율의 시냅스 반도체 소자를 구현하기 어려웠다. 연구팀은 200도 이하의 저온에서 직접 2차원 소재를 성장하는 합성법을 접목해 전사 과정 없이 이온 배리어 층 제작에 성공해 기존의 어려움을 극복했다. 아울러 다중 적층 3차원 수직-반응형 ECRAM의 독립적인 가중치 업데이트 특성을 확인해 초고집적도 3차원 기반의 시냅스 어레이 제작에 대한 잠재력 또한 입증했다.

이번 3차원 초고집적 뉴로모픽 시냅스 소자 개발은 AI 반도체 구현에 필요한 대규모 연산을 초고속, 초저전력으로 실행하는 핵심 소재 및 공정기술로 평가된다. 김용훈 재료연구원 책임연구원은 “이번 연구 결과를 바탕으로 2차원 반도체 소재의 대면적 합성과 전자소자 상용화 및 반도체 공정에 적용하기 위한 연구를 지속해 나가겠다”고 말했다.

구혁 기자 gugija@munhwa.com