광주과학기술원(GIST)과 한국에너지공과대학교(켄텍) 공동 연구팀이 산화코발트 단결정 나노입자의 배열 구조를 정밀하게 제어해 안정적으로 작동하는 차세대 휘발성 멤리스터를 개발해 관심을 모으고 있다.
광주과학기술원은 GIST 신소재공학과 이상한 교수 연구팀과 켄텍 에너지공학부 오명환 교수 연구팀이 공동으로 산화코발트 단결정 나노입자를 규칙적으로 배열하고, 입자 사이의 미세한 나노 틈을 조절해 저전력 구동이 가능한 휘발성 멤리스터를 구현했다고 25일 밝혔다.
멤리스터는 전압이나 전류에 따라 저항 상태가 변하는 전자소자다. 전기 자극을 받으면 저항이 바뀌고, 자극이 사라지면 원래 상태로 돌아오는 휘발성 스위칭 특성은 인간 신경세포의 기억과 망각 과정을 모사할 수 있어 뉴로모픽 컴퓨팅 분야에서 주목받고 있다.
기존 산화물 기반 멤리스터는 전기 자극에 따라 소자 내부에 전류가 흐르는 전도 경로가 형성됐다가 사라지는 방식으로 작동한다. 그러나 이 경로가 매번 다른 위치와 형태로 생기면서 소자별 성능 편차가 발생하는 한계가 있었다.
연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 전류 경로를 작동 과정에서 새로 만들지 않고, 소자 제작 단계에서 미리 정하는 방식에 주목했다.
특히 연구팀은 나노 틈의 크기를 조절하면 멤리스터가 작동하는 전압도 바꿀 수 있는지 확인했다. 나노 틈을 약 3nm에서 약 1nm로 좁히자, 스위칭이 시작되는 평균 전압도 8.75V(볼트)에서 1.20V로 7분의 1 수준까지 낮아졌다. 즉, 같은 소재를 사용하더라도 입자 사이의 틈을 좁히는 것만으로 소자가 작동하는 데 필요한 전압을 크게 낮출 수 있음을 보여준다.
이상한 GIST 교수는 “기존에는 전류 흐름을 불규칙하게 만드는 요소로 여겨졌던 나노입자 사이의 틈을 소자 동작을 제어하는 설계 요소로 활용했다는 데 의미가 있다”며 “저전력 뉴로모픽 소자 개발에 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.
오명환 켄텍 교수는 “균일한 나노입자가 스스로 규칙적인 구조를 이루도록 하고, AI 기반 이미지 분석으로 배열 균일성을 정량적으로 확인했다”며 “나노입자 사이의 일정한 틈이 반복되는 구조를 정밀하게 구현·분석할 수 있었다”고 밝혔다.
연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 미래수소원천기술개발사업, 개인기초연구사업, 기후에너지환경부·한국에너지기술평가원 지원을 받아 수행됐다.