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하프니아 기반 강유전체 물질과 새로운 금속-강유전체 소자 구조를 이용해 강유전체 메모리 소자 정보 저장 능력을 획기적으로 향상시키는 데 성공했다고 10일 밝혔다. 

인공지능(AI) 발전으로 데이터 저장 기술의 중요성이 커지고 있다. 현재 대용량 데이터를 저장하기 위해 가장 널리 사용되는 기술 중 하나는 낸드 플래시 메모리다. 이 메모리는 평면이 아닌 3차원 구조로 셀을 구성해 동일한 면적에 더 많은 데이터를 저장할 수 있지만 작동 전압이 높고, 속도가 느리다는 단점이 있다. 

최근 하프니아 기반 강유전체 메모리가 차세대 메모리로 주목받고 있는 이유다. 하프니아는 하프늄(Hafnium)을 주성분으로 하는 산화물이다. 이 물질을 활용한 강유전체 메모리는 낮은 전압에서도 작동 가능하며, 속도도 빠르다. 그러나 하프니아 기반 메모리 소자는 외부에서 전압을 가해도 강유전체 물질에 전압 전달이 원활하지 않아 데이터 저장에 필요한 메모리 윈도우(전압 구간)를 충분히 확보하기 어려운 문제가 있다.

연구팀은 신소재와 새로운 소자 구조로 이를 해결했다. 하프니아 기반 메모리 소자에 사용되는 강유전체에 알루미늄을 도핑해 우수한 성능의 강유전체 박막을 만들었다. 또 소자를 구성하는 금속과 강유전체 물질이 단순하게 배열된 기존 MFS(금속-강유전체-채널) 구조 대신, 두 물질이 두 번 반복되는 MFMFS(금속-강유전체-금속-강유전체-채널) 구조로 소자를 만들었다.

이번에 개발한 소자는 금속과 금속, 금속과 채널 간 강유전체 층들의 두께와 면적비 등을 요소로 캐패시턴스를 조절해 각 층에 걸리는 전압을 효과적으로 제어하는 데 성공했다. 이를 통해 강유전체 물질에 전압이 효과적으로 전달되도록 하여 소자의 성능을 높이고 에너지 소모를 줄일 수 있었다.

기존 하프니아 기반 강유전체 소자의 메모리 윈도우가 약 2V(볼트)였던 반면, 연구팀의 소자는 10V 이상의 메모리 윈도우를 기록하며, QLC(단위 트랜지스터 당 16개의 정보를 저장할 수 있는 기술)를 구현할 수 있었다. 또 100만 번 이상 동작 후에도 높은 안정성을 보였다. 구동 전압은 낸드 플래시 메모리(18V)보다 낮은 10V 이하로 동작했다.

특히, 낸드 플래시 메모리는 원하는 데이터를 입력·저장하기 위해 전압을 지속적으로 높이는 방식을 사용해 프로그램 시간이 오래 걸리고, 복잡한 회로가 필요하지만, 연구팀 소자는 강유전체 분극 스위칭을 제어해 한 번의 전압 인가로 원하는 데이터를 빠르게 입력·저장할 수 있다.

이장식 교수는 “기존 메모리 소자의 한계를 돌파할 기술적 기반을 마련하고, 하프니아 기반 강유전체 메모리의 새로운 연구 방향을 제시했다“며 ”후속 연구를 통해 저전력·고속·대용량 메모리 소자를 개발해 데이터센터와 AI분야 전력문제 해결에 기여하겠다“고 말했다. 

<관련기사> 전자신문 24-06-10,  동아사이언스 24-06-10 

방대하고 복잡한 데이터를 머리카락보다 1만 배 이상 얇은 3차원 메모리 소자에 저장·처리할 수 있는 기술을 국내 연구진이 개발했다.

한국연구재단은 포항공과대학교 이장식 교수 연구팀이 강유전체 물질을 활용해 정보의 저장, 처리 및 연산이 모두 가능한 차세대 3차원 구조의 고집적 메모리 어레이를 개발했다고 21일 밝혔다. 강유전체는 외부 전기장 없이도 전기적 분극을 갖는 물질로 차세대 고성능 메모리 소자 기술로 주목받고 있다.

이장식 교수 연구팀은 산화 하프늄 기반 강유전체 물질과 산화물 반도체 채널 층을 활용해 고성능 강유전체 메모리 소자를 개발했다. 산화 하프늄은 강유전체의 성질을 유지하면서 박막을 더 얇게 만들 수 있는 화합물 소재다.

이를 수직으로 적층해 복잡한 정보의 처리를 각 층에서 병렬적으로 진행 가능한 3차원 구조의 어레이를 제시했다. 연구팀은 3차원 구조의 강유전체 메모리의 크기를 10㎚ 수준으로 소형화시켜 집적도를 높이는데 성공했다.

이장식 교수는 “이번에 개발한 기술은 비정형의 복잡한 정보 처리가 필요한 인공지능, 무인자동차, 사물인터넷, 메타버스 등 다양한 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 2월 1일 게재됐다.

<관련기사> 조신비즈 23-03-21, 해럴드경제 23-03-21, 전자신문 etnews 23-03-22, 

비정형 데이터 처리를 위해 인간 두뇌의 병렬적 정보처리 과정을 모사한 인공신경망 기술이 주목받는 가운데 포스텍 이장식 교수팀이 인공신경망 어레이를 개발했다.

고성능, 차세대 정보 처리 장치로 주목받는 인공신경망 구현을 위해서는 두뇌의 정보 처리 핵심요소로 작용하는 시냅스 모방 소자의 개발과 이 소자들이 집적된 인공신경망의 기능성 평가가 필수적이다. 외부 전원 없이도 스스로 전기적 분극을 유지하는 강유전체 시냅스 소자는 다른 시냅스 소자들보다 정밀한 전기적 특성 제어가 가능하고 낮은 소비전력, 빠른 동작속도 구현으로 대량의 비정형 정보처리가 가능한 차세대 고성능 시냅스 소자로 주목받고 있다. 허나 이를 적용한 실제 신경망 칩 구현을 위해서는 단위 소자 기술과 함께 다수의 시냅스 트랜지스터 소자를 집적한 어레이 수준에서 동작이 구현돼야 한다.

13일 한국연구재단에 따르면, 이장식 교수팀은 비정형 사진 정보의 특성을 추출하고 인식 할 수 있는 차세대 인공 신경망 어레이를 개발했다. 강유전체 물질에 기반한 시냅스 트랜지스터 소자를 집적한 형태로 제작했다. 연구팀은 이렇게 제작한 어레이에서 활용가능한 병렬 동작 방식을 개발, 효율적인 비정형 이미지 정보 처리 및 사물인식이 가능함을 확인했다고 설명했다. 현재까지는 강유전체 시냅스 트랜지스터의 동작 방법으로 각 소자의 특성을 하나씩 순차적으로 조절하는 비효율적 동작 방식이 활용돼 왔으나 어레이 내 소자의 동작 방법을 최적화하고 다수의 소자 특성을 동시에 병렬적으로 조절가능한 동작 방법을 개발한 것이 연구팀의 이번 연구성과의 핵심이다.  연구팀은 비정형 사진 정보의 특징 추출과 후처리 가능성, 또 사진 내 임의의 물체 종류 인식 시험에서 90% 이상 인식률을 확보했다고 밝혔다.

이장식 교수는 “개발된 인공신경망 어레이를 병렬적으로 학습시키는 기술을 사용하면 학습 및 동작 시간이 감소해 저전력 기반 고속으로 사물인식이 가능할 것”이며 “비정형 정보 처리가 필요한 분야와 인메모리컴퓨팅에 적용 가능한 기술이 될 것으로 예상한다”고 밝혔다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구사업의 지원으로 수행된 이번 연구성과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 이달 9일 게재됐다.

<관련기사> 뉴스1코리아 22-04-11,  뉴시스 22-04-11, IT비즈뉴스 22-04-13 

국내 연구진이 할로겐화물 페로브스카이트를 이용해 초고속으로 동작할 수 있는 차세대 메모리인 저항변화 메모리 소자를 개발했다. 한국연구재단은 이장식 포스텍 신소재공학과 교수 연구팀이 차세대 태양전지에 쓰이는 소재인 페로브스카이트 소재 기반 고성능 메모리 소자를 구현하는 데 성공했다고 13일 밝혔다. 

이장식 교수 연구팀이 개발한 저항변화 메모리는 전원이 꺼져도 저장된 정보가 유지되는 비휘발성 메모리 소자의 일종으로 전압에 따라 저항변화층의 저항 상태가 고저항 상태에서 저저항상태로, 또는 반대로 바뀌는 현상을 이용한 메모리 소자다.  할로겐화물 페로브스카이트 소재는 저항변화 특성을 제어할 수 있어 차세대 메모리 소자를 위한 신소재로 연구됐지만 느린 동작 속도가 실용화하는 데 한계로 작용했다. 

연구팀은 ‘제일원리계산’과 실험적 검증을 통해 초고속 동작이 가능한 할로겐화물 페로브스카이트 소재를 설계하고 이를 저항변화 메모리 소자로 적용 가능한 기술을 개발했다. 제일원리계산이란 소재의 특성 및 현상을 이해하고 예측하기 위한 방법으로 양자역학 해석에 기반해 원자들 사이의 상호작용을 정확히 기술하기 때문에 예측력이 높은 게 특징이다. 

연구진은 제일원리계산 기법을 통해 다이머 구조의 할로겐화물 페로브스카이트 소재가 기존 페로브스카이트 소재들보다 빠른 속도로 동작 가능하다는 사실을 알아냈다. 이를 메모리 소자에 적용한 결과 200억분의 1초의 동작 속도를 보였다. 다른 결정구조를 갖는 메모리 소자에 비해 100배 이상 빠른 속도다. 

연구팀은 “향후 고속 처리능력이 필요한 인공지능, 슈퍼컴퓨터 등 다양한 전자기기들에 응용될 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다. 이번 연구는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 10일자 온라인판에 게재됐다. 

<관련기사> 동아사이언스 21-06-13,  파이낸셜뉴스 21-06-13, 해럴드경제 21-06-13 

[해외 기사]

As we enter the era of superintelligence and hyper-connected Fourth Industrial Revolution, the importance of high-density and high-performance memory is greater than ever. Currently, the most widely used NAND flash memory has issues of high power consumption, slow operation speed, and vulnerability to repetitive use since it relies on the charge trap effect to store information. To this, a POSTECH research team has recently demonstrated a ferroelectric memory that exceedingly surpasses the performance of the conventional flash memory in terms of operation speed, power consumption, and device reliability.

A POSTECH research team - led by Professor Jang-Sik Lee, and Ph.D. candidates Min-Kyu Kim and Ik-Jyae Kim of the Department of Materials Science and Engineering - has demonstrated a unique strategy to fabricate a ferroelectric memory by applying hafnia-based ferroelectrics and oxide semiconductors. This approach yields memory performance that could be achieved neither by the conventional flash memory nor by the previous perovskite ferroelectric memories. Device simulations have confirmed that this strategy can realize ultrahigh-density 3D memory integration.

The ferroelectric memory has gained attention so far for its potential to operate at higher speed with lower power consumption compared to the conventional flash memory. But its commercialization has been deterred due to the high processing temperature, difficulty in scaling, and non-compatibility with the conventional semiconductor processes.

The research team tackled these issues by using the hafnia-based ferroelectrics and oxide semiconductors. The new material and structure ensure low power consumption and high speed; achieve high stability by using oxide semiconductors as channel material to lower the process temperature and suppress the formation of the unwanted interfacial layer. As a result, the researchers confirmed that the fabricated device can operate at a voltage four times lower than that of the conventional flash memory at a speed several hundred times faster and remain stable even when repeatedly used more than 100 million times. In particular, a ferroelectric material and an oxide semiconductor were stacked by an atomic layer deposition to secure a processing technology suitable for manufacturing 3D devices. The team had proposed that high-performance devices can be manufactured under 400°C with much simpler process than that of the conventional flash memory device.

"We have developed the core technology to realize the next-generation of highly integrated and high-performance memory that overcomes the limitations of the conventional 3D NAND flash memory," remarked Professor Jang-Sik Lee who led the study. He added, "This technology is not only applicable to next-generation memory devices, but also to ultra-low-power and ultrafast highly-integrated universal memory and in-memory computing that are vital to industries like AI and self-driving cars in the future."

Recently published in Science Advances, this research was conducted with the support from Samsung Electronics. 

<관련 해외 기사> Eurekalert 21-01-18, Techxplore 21-01-19

[국내 기사]

 초지능·초연결 4차 산업혁명 시대를 맞아 고집적·고성능 메모리의 중요성이 더욱 커지고 있다. 현재 가장 많이 사용되는 낸드 플래시는 전하 트랩 현상을 이용하여 정보를 저장하기 때문에 높은 전압에서 동작하는 데다 속도가 느리고 반복적인 동작에 취약하다는 문제가 있다. 최근 POSTECH 연구팀에서 기존 플래시 메모리보다 4배 이상 낮은 전압에서 작동하면서도 성능은 훨씬 우수한 강유전체 메모리를 구현했다.

신소재공학과 이장식 교수, 통합과정 김민규씨, 김익재씨 연구팀은 하프니아 기반 강유전체와 산화물 반도체를 이용하여 강유전체 메모리를 구현하는 방법을 제시했다. 또한, 새로운 방식으로 구현된 강유전체 메모리는 기존 플래시 메모리나 페로브스카이트 기반 강유전체 메모리보다 훨씬 우수한 메모리 특성을 보였으며, 수직 구조의 소자 제작을 통해 고집적 3차원 메모리에 적용될 수 있음을 확인했다.

지금까지 차세대 강유전체 메모리는 강유전 물질의 분극 현상을 활용해 정보를 저장하기 때문에 플래시 메모리에 비해 낮은 작동 전압에서 빠르게 동작 가능하다는 점에서 주목받아 왔다. 하지만 높은 열처리 온도, 불안정한 동작 특성, 기존 반도체 공정과의 호환성 문제 등이 상용화의 발목을 잡았다.

연구팀은 하프니아 기반 강유전체와 산화물 반도체를 활용해 이런 한계를 돌파했다. 새로운 소재와 구조를 통해 낮은 작동 전압과 빠른 동작 속도를 확보하고, 산화물 반도체를 채널 물질로 사용해 공정온도를 낮추고 계면층 형성을 억제해 높은 동작 안정성을 구현했다. 그 결과, 기존 플래시 메모리보다 4배 이상 낮은 전압에서 작동하면서 수백 배 이상 빠른 동작 속도, 1억 번의 반복적인 동작에도 안정적인 특성을 보이는 것을 확인했다. 특히, 강유전체 물질과 산화물 반도체를 원자층 증착(atomic layer deposition) 방식으로 적층하여 3차원 소자 제작에 적합한 공정 기술을 확보했다. 또한, 기존 플래시 메모리 소자 제작보다 훨씬 간단한 공정으로 400°C 이하에서 고성능 소자 제작이 가능함을 제시했다. 관련 내용들은 국내 특허 출원이 완료되었고, 해외 특허 출원을 준비하고 있다.

연구를 주도한 이장식 교수는 “이번 연구 결과는 기존 3차원 낸드 플래시 메모리의 한계를 돌파할 수 있는 차세대 고집적·고성능 메모리를 구현하기 위한 기반 기술을 확보하고, 그 가능성을 직접 확인했다는 데 큰 의미가 있다”며 “이러한 기술은 고성능, 고집적 메모리 소자뿐만 아니라 향후 자율주행자동차, 인공지능 등에 필수적인 초저전력·초고속 고집적 유니버설 메모리와 인메모리 컴퓨팅에 적용할 수 있다”고 덧붙였다.

한편, 국제학술지 ‘사이언스 어드밴스(Science Advances)’ 1월 14일자에 게재된 이번 연구는 삼성미래육성사업의 지원을 받아 수행됐다.

<관련기사> 매일경제 21-04-14, 시사뉴스 21-01-14, 테크 월드뉴스 21-01-14, 베리스타 알파 21-01-14, 브레이크뉴스 21-01-14, 대구신문 21-01-14, NSP 통신 21-01-14

[해외 기사]

Netflix, which provides an online streaming service around the world, has 42 million videos and about 160 million subscribers in total. It takes just a few seconds to download a 30-minute video clip and you can watch a show within 15 minutes after it airs. As distribution and transmission of high-quality contents are growing rapidly, it is critical to develop reliable and stable semiconductor memories.

To this end, POSTECH research team has developed a memory device using a two-dimensional layered-structure material, unlocking the possibility of commercializing the next-generation memory device that can be stably operated at a low power.

POSTECH research team consisting of Professor Jang-Sik Lee of the Department of Materials Science and Engineering, Professor Donghwa Lee of the Division of Advanced Materials Science, Youngjun Park, and Seong Hun Kim in the PhD course succeeded in designing an optimal halide perovskite material (CsPb2Br5) that can be applied to a ReRAM*1 device by applying the first-principles calculation*2 based on quantum mechanics. The findings were published in Advanced Science.

The ideal next-generation memory device should process information at high speeds, store large amounts of information with non-volatile characteristics where the information does not disappear when power is off, and operate at low power for mobile devices.

The recent discovery of the resistive switching property in halide perovskite materials has led to worldwide active research to apply them to ReRAM devices. However, the poor stability of halide perovskite materials when they are exposed to the atmosphere have been raised as an issue.

The research team compared the relative stability and properties of halide perovskites with various structures using the first principles calculation2. DFT calculations predicted that CsPb2Br5, a two-dimensional layered structure in the form of AB2X5, may have better stability than the three-dimensional structure of ABX3 or other structures (A3B2X7, A2BX4), and that this structure could show improved performance in memory devices.

To verify this result, CsPb2Br5, an inorganic perovskite material with a two-dimensional layered structure, was synthesized and applied to memory devices for the first time. The memory devices with a three-dimensional structure of CsPbBr3 lost their memory characteristics at temperatures higher than 100 °C. However, the memory devices using a two-dimensional layered-structure of CsPb2Br5 maintained their memory characteristics over 140 °C and could be operated at voltages lower than 1V.

Professor Jang-Sik Lee who led the research commented, "Using this materials-designing technique based on the first-principles screening and experimental verification, the development of memory devices can be accelerated by reducing the time spent on searching for new materials. By designing an optimal new material for memory devices through computer calculations and applying it to actually producing them, the material can be applied to memory devices of various electronic devices such as mobile devices that require low power consumption or servers that require reliable operation. This is expected to accelerate the commercialization of next-generation data storage devices."

This research was conducted with the support from the Future Materials Discovery Project and the Mid-career Researcher Program of the Ministry of Science and ICT and the National Research Foundation of Korea.

<관련 해외 기사> Eurekalert 20-07-13, Sciencedaily 20-07-13, Techxplore 20-07-13

[국내 기사]

포스텍 신소재공학과 이장식 교수, 첨단재료과학부 이동화 교수, 통합과정 박영준씨, 김성훈씨 연구팀이 3차원이 아닌 2차원 층상구조 소재를 이용한 메모리 소자를 개발해 안정적이며 저전력으로 동작 가능한 차세대 메모리의 상용화 가능성을 열었다.

29일 포스텍은 "양자역학에 기반을 둔 제일원리(양자역학 이론에 기반해 소재의 특성 및 현상을 이해하고 예측하기 위한 연구방법) 계산을 이용해 저항변화메모리(전원이 꺼지더라도 저장된 정보가 그대로 유지되는 비휘발성 메모리 소자의 일종으로 차세대 메모리 소자로 활발한 연구가 진행되고 있다) 소자에 적용될 수 있는 최적의 할로겐화물 페로브스카이트 물질(CsPb2Br5)을 설계하는 데 성공했다"고 밝혔다.

차세대 메모리 소자의 이상적인 조건은 대용량의 정보를 저장하고, 빠른 속도로 정보를 처리할 수 있으며, 전원을 꺼도 정보가 사라지지 않는 비휘발성을 지니고, 이동성이 뛰어난 모바일 기기 등에 활용될 수 있도록 낮은 전력으로도 동작할 수 있어야 한다. 최근 할로겐화물 페로브스카이트 소재를 활용한 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만 할로겐화물 페로브스카이트 물질은 대기 중에서 낮은 안정성과 낮은 동작 신뢰성이 문제로 제기돼 왔다. 연구팀은 제일원리 계산기법을 이용해 여러 구조의 할로겐화물의 상대적인 안정성과 물성을 비교했다. 계산 결과, AB2X5 형태의 2차원 층상구조인 CsPb2Br5가 기존에 사용되던 3차원 ABX3 구조나 다른 층상구조(A3B2X7, A2BX4)보다 더 나은 안정성과 물성을 가질 수 있다는 것을 확인했다. 이런 구조에서 메모리 소자가 향상된 성능을 보일 수 있음을 처음으로 제시했다. 연구팀은 이를 검증하기 위해 2차원 층상구조를 가지는 무기물 기반 페로브스카이트 소재인 CsPb2Br5를 합성했고, 이를 메모리 소자에 최초로 적용했다. 

기존 3차원 구조의 소재 기반 메모리 소자가 100도 이상에서 메모리 특성을 잃어버리는 것에 비해, 2차원 소재를 이용한　 경우 140도 이상에서도 메모리 특성을 유지했고 1V 이내의 낮은 전압에서 동작가능한 특성을 보였다. 이번에 제안된 양자역학에 기반을 둔 제일원리 계산을 적용한 소재 디자인 기법을 활용하면, 메모리 소자를 위한 최적의 물질을 빠르게 선별함으로써 신물질 탐색을 위한 시간을 줄일 수 있다. 이 연구결과는 자연과학 및 응용과학 분야의 권위 있는 학술지 ‘어드밴스트 사이언스’ 최근호에 게재됐다. 이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 미래소재디스커버리 사업, 중견연구자지원사업 등의 지원을 받아 수행됐다.

연구를 주도한 이장식 교수는 “컴퓨터 계산으로 메모리 소자를 위한 최적의 신소재를 디자인해 실제 메모리 소자 제작에 적용한 것으로, 저전력을 필요로 하는 모바일 기기나 신뢰성 있는 동작이 필요한 서버 등 다양한 전자기기들의 메모리 소자에 응용될 수 있다"며 "고성능의 차세대 정보저장 소자의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다”고 설명했다. 

<관련기사> 뉴시스 20-06-29, 뉴스1 20-06-29, 매일경제 20-06-29, 헤럴드경제 20-06-29, 전자신문 20-06-29, 대구일보 20-06-29, 경북매일 20-06-29, 경북도민일보 20-06-29

0과 1이라는 디지털 신호 기반의 컴퓨터 칩은 메모리소자와 연산소자가 별개여서, 소자 간 정보전송 과정에서 병목현상이 생긴다. 반면 뇌는 기억과 연산을 동시에 수행하는 아날로그 방식이다. 병렬처리로 에너지 소모를 최소화 했다.

정보의 저장과 처리가 병렬로 수행되는 뇌의 시냅스(신경세포간 정보전달이 이뤄지는 부위)를 모사한 뉴로모픽 칩은 전력소비를 기존 반도체 대비 수 백 배에서 수 십 만 배 이하로 줄일 수 있다. 저전력 다기능 반도체 칩의 진화는 이미지나 동영상 같은 복잡한 비정형 데이터의 효율적 처리가 필요한 AI, 빅데이터, 자율주행 자동차 개발에 중요한 과제다.

한국연구재단은 이장식 교수(포항공대)연구팀이 강유전체 물질을 이용해 산화물 반도체의 광(光)반응성을 제어, 신호전달 세기가 조절되는 뉴로모픽 칩을 구현했다고 밝혔다. 연구팀은 디스플레이에 쓰이는 광반응성 산화물 반도체(인듐-갈륨-아연 산화물,IZGO) 층에 외부 전기자극 없이도 스스로 분극 특성을 유지할 수 있는 강유전체 하프늄 산화물(HfZrOx)을 적층하여 빛으로 동작하는 인공 시냅스를 구현했다. 뉴로모픽 칩 가운데 빛에 따라 전류의 흐름이 조절되는 광 시냅스 소자는 전자형 시냅스 소자보다 동작속도는 빠르면서 소비전력이 낮아 주목받는다. 하지만 광반응성 제어에 한계가 있어 두뇌 작동방식, 특히 외부 자극에 대응해 지속적으로 다음 신경세포로의 신호전달 세기를 바꾸는 시냅스 가소성(plasticity, 可塑性)을 모사하기 어려웠다.

구현된 광 시냅스 소자는 칼슘이온이 유입된 신경세포에서 다음 신경세포로 신경전달물질이 분비되면서 전기적 신호가 전달되는 것처럼, 빛에 의해 생성된 전자가 빛이 사라지면 서로 재결합하는 방식으로 전류의 세기를 바꾸면서 정보를 처리한다. 이 과정에서 분극돼 전류의 흐름을 제어할 수 있는 강유전체를 활용, 산화물 반도체에서 전자 재결합을 제어, 소자의 신호전달 세기를 제어한 것이 이번 성과의 핵심이다. 그 결과 신경세포 간 연결강도, 즉 뇌의 학습과 기억에 관여하는 신호전달능력인 시냅스 가중치 변화(synaptic weight change)가 20배 이상 증가했다.

이장식 교수는 “해당 광 시냅스 소자에 기반한 뉴로모픽 칩이 상용화 된다면 추후 얼굴 인식, 자율 주행 자동차, 사물인터넷(IOT), 지능형 센서 등 다양한 분야에 활용될 수 있을 것으로 예상된다”며 “실용화를 위해서는 산화물 반도체의 광 반응성을 보다 향상시켜 보다 큰 시냅스 가중치 변화를 구현하고 고집적 뉴로모픽 칩 구현을 위해서 소자 집적화 기술 개발이 필요하다”고 밝혔다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구사업(중견연구) 및 미래소재디스커버리사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구성과는 재료분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 2월 13일 게재됐다.

<관련기사> 사이언스모니터20-03-04 연합뉴스 20-03-04 한겨레 20-03-04 아시아경제 20-03-04 특허뉴스 20-03-04 녹색경제신문 20-03-04 대전일보 20-03-04 조선비즈 20-03-04 매일경제 20-03-04 헤럴드경제 20-03-04 

삼성전자가 반도체 혁신 소재 기술 등 원천기술 개발에 박차를 가하고 있다.

최근 일본 정부의 반도체·디스플레이 핵심 소재 수출 규제를 계기로 소재·부품의 자립이 한국 산업계의 화두로 떠오른 시점이어서 삼성전자의 시도가 돋보인다. 삼성전자는 올해 삼성미래기술육성사업의 지정 테마로 반도체 혁신소재 개발을 포함해 모두 15건의 연구지원 과제를 선정했다고 9일 밝혔다.

2013년 시작된 삼성미래기술육성사업은 기초과학, 소재기술, 정보통신기술(ICT) 3개 연구 분야에서 매년 3차례(상·하반기 자유공모, 연 1회 지정 테마) 과제를 선정해 연구비를 지원하는 프로그램이다. 이번에 선정된 지정 테마 과제는 혁신적인 반도체 소재 및 소자·공정 기술, 차세대 디스플레이, 컨슈머 로봇, 진단 및 헬스케어 솔루션 4개 분야다.

이번 심사 결과 반도체 분야에서는 송윤흡 한양대 교수의 ‘낸드플래시 메모리를 100층 이상 집적하기 위한 신규 소재’ 등 6개가 선정됐다. 송 교수의 과제는 회로를 100층 이상 쌓아 기존 낸드플래시가 가진 용량의 한계를 극복하는 프로젝트다. 이를 위해 전압을 줄이는 절연체를 사용하는 등 메모리층과 채널층을 각각 새로운 소재로 대체한다.

이장식 포스텍 교수는 대표 메모리반도체인 낸드플래시의 속도를 높이고, 소비전력은 낮추는 프로젝트를 제안했다. 강유전체와 산화물반도체를 결합하는 등 소재, 공정온도, 박막공정에 변화를 줘 기존 대비 속도는 1000배까지 높이고, 작동전압은 5V를 낮추는 것이 목표다.

국가에서 지원하기 어려운 도전적인 연구를 지원하고 우수한 신진 연구자를 발굴하자는 취지에서 시작된 삼성미래기술육성사업은 국내 민간기업 최초의 연구지원 사업으로, 지금까지 총 532개 연구과제에 6826억원이 지원됐다. 삼성전자 관계자는 “일본 수출 규제로 인해 이번 연구과제를 선정한 것은 아니지만 소재·소자 등 원천기술 확보는 장기적으로 국가 기초과학 발전을 위한 의미 있는 활동”이라고 말했다. 

<관련기사> 세계일보 19-07-09

이장식 포항공대(POSTECH) 신소재공학과 교수·석박사 통합과정 김민규씨 연구팀이 차세대 뉴로모픽 컴퓨팅용 칩을 만드는 과정에서 강유전체 물질을 도입해 고성능의 아날로그 메모리 특성을 보이는 새로운 시냅스 소자를 개발했다고 1일 발표했다.

이 연구에 사용한 강유전체 물질은 현재 반도체 공정에서 사용할 수 있는 물질이어서 바로 상용화할 수 있어 뉴로모픽 칩 상용화를 크게 앞당길 수 있을 전망이다.

딥러닝, 빅데이터 등은 정형화되지 않은 많은 양의 정보 처리 능력이 필요하다. 현재 사용하고 있는 대부분의 컴퓨팅 방식은 입력된 정보를 순차적으로 처리하는 폰 노이만 구조를 기반으로 하고 있는데 처리해야 하는 정보량이 급속도로 증가하면서 정보를 처리하는 데 한계를 보이고 있다.

이런 문제점을 해결하기 위해 최근에 기억과 연산을 동시에 수행하는 인간 두뇌의 사고 과정을 모사해 정보를 병렬적으로 처리하는 뉴로모픽 컴퓨팅이 주목을 받고 있다. 현재 쓰는 폰 노이만 구조 컴퓨팅 방식에서 사용하던 반도체를 그대로 뉴로모픽 컴퓨팅에 사용할 경우 많은 에너지가 필요하다. 바둑을 딥러닝으로 학습한 ‘알파고’가 바둑 한 판을 두는 데는 전기세 약 6000만원이 든다.

뉴로모픽 컴퓨팅이 상용화되려면 소비 전력을 최소화한 뉴로모픽 칩 개발이 필요했고, 연구팀은 인간의 두뇌에서 핵심요소로 작용하는 시냅스를 모사할 수 있는 효율높은 소자 개발에 집중했다.

인간 두뇌의 정보처리 방식은 0과 1로 데이터를 처리하는 디지털 방식이 아닌 아날로그 방식으로 많은 정보를 신속하게 처리하고 학습한다. 인간의 시냅스 특성을 모사하려면 아날로그 정보 처리 방식이 필요한데 연구팀은 이를 강유전체 물질을 이용해 구현했다.

강유전체란 외부의 에너지가 없어도 스스로 전기적 분극을 유지하는 물질로 이 특성을 미세하게 제어해 인공 신 망에 적합한 선형적인 아날로그 정보 제어를 구현했으며, 이를 통해 인공 신경망 시뮬레이션 결과 숫자 이미지 패턴에 대한 인식률이 90％ 이상임을 확인했다.

기존에 연구되었던 강유전체 물질은 두꺼운 두께와 높은 공정온도, 기존 반도체 공정과의 호환성 문제로 인해 사용에 제한이 있었다. 연구팀은 원자층 증착법을 이용해 나노 스케일 두께의 강유전체 물질과 산화물 반도체를 기판 위에 쌓아서 강유전체 트랜지스터를 만들었다. 저온 공정을 통해 제작할 수 있어 반도체 소자 제작시 장점이 있고, 금속-강유전체-반도체 구조에서 강유전체의 안정적인 분극 현상을 확인했다. 이 공정에 사용되는 물질들은 현재 반도체 공정에서 사용할 수 있는 물질이어서 산업 현장에 바로 적용할 수 있다는 장점도 있다.

이장식 교수는 “이 기술을 실제 뉴로모픽 칩에 사용할 경우 저전력으로 뉴로모픽 컴퓨팅이 가능하게 될 것이고, 모바일 기기, 무인자동차, 사물인터넷 등 다양한 분야에 이 기술을 활용할 수 있을 것”이라고 기대감을 밝혔다. 한국연구재단의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 나노분야의 세계적 권위지인 나노 레터스에 최근 게재됐다.

<관련기사>  동아사이언스 19-04-01 보안뉴스 19-04-02 뉴시스 19-04-01 헤럴드경제 19-04-01 NSP 통신 19-04-01 사이언스모터스 19-04-01 경상매일신문 19-04-01 베리스타알파 19-04-01 전자신문 19-04-01 뉴스웍스 19-04-01

국내 연구진이 전기가 없어도 정보가 지워지지 않는 플래시 메모리 등을 대체할 차세대 것으로 주목받는 저항변화메모리의 누설전류를 획기적으로 줄일 수 있는 반도체 스위치 소자를 개발했다.포항공대 신소재공학과 이장식 교수팀은 16일 산화아연(ZnO)에 적정량의 은(Ag)을 첨가, 전류를 끊거나 흐르게 할 수 있는 저항값이 10억배 차이가 나는 나노미터(㎚=10억분의 1ｍ) 크기의 반도체 스위치 소자를 개발했다고 밝혔다.

실리콘 반도체는 많은 정보를 저장하기 위해 집적도를 높이는 방향으로 꾸준히 발전해 왔으나 최근 소형화가 한계를 맞았다는 지적이 나온다.

물질의 저항 차이를 이용해 정보를 저장하는 저항변화메모리는 3차원 구조 메모리 소자 제작이 가능하고 전원이 꺼지더라도 저장된 정보가 유지돼 플래시 메모리를 대체할 차세대 소자로 주목받고 있다.

그러나 저항변화메모리는 근처 소자들 간 누설전류로 과다 전력소모가 일어나고 원하는 정보를 제대로 읽지 못하는 식별오류 문제가 발생, 이를 해결하기 위해서는 다이오드 및 트랜지스터 역할을 하는 스위치 소자 개발이 필요하다.

연구진은 저항값이 매우 커 전류가 잘 흐르지 않는 산화아연에 결정구조를 가진 물질 내에서 쉽고 빠르게 이동하는 성질이 있는 은을 첨가, 전류가 흐를 때와 흐르지 않을 때 저항값이 10억배 차이가 나는 스위치 소자를 개발했다.

저항값 차이가 클수록 반도체 소자의 전원을 켜고 끌 수 있는 효율이 높아지고 전류 흐름을 효율적으로 제어할 수 있어 저항변화메모리 소자 간 누설전류를 차단를 차단하고 전력소모를 줄 일 수 있다.

또 이 스위치 소자는 높은 저항비가 지연시간 없이 빠른 속도로 동작하고 250℃의 고온에서도 소자의 특성이 저하되지 않을 만큼 열적 안정성도 우수한 것으로 나타났다고 연구진은 설명했다.

이 교수는 "은을 사용해 전류 흐름을 제어하고 효과적으로 누설전류를 줄일 수 있는 새로운 반도체 스위치 소자를 개발했다"며 "대면적으로 균일하게 만들 수 있고 안정된 특성이 뒷받침되면 휴대전화 등에 사용될 차세대 메모리, 많은 전류 공급이 필요한 전력반도체, 시냅스 소자 등에 필요한 뉴로모픽 소자 등에 적용할 수 있을 것"이라고 말했다.

한국연구재단 기초연구사업 등의 지원으로 수행된 이 연구결과는 '엔피지 아시아 머티리얼즈(NPG Asia Materials, 2월 24일자)에 게재됐다.

<관련기사> 연합뉴스 17-03-16, 뉴스원 17-03-16, 서울경제 17-03-16, 중도일보 17-03-16, 일요신문 17-03-16, 디지털데일리 17-03-16, 헬로디디 17-03-16, 디지털타임즈 17-03-16, 전자신문 17-03-16

Perovskites, it turns out, show current-voltage hysteresis because of the same crystal defects that cause headaches in solar cell applications. “Defects are not good for solar cells, but they are essential in our memory devices,” says Jang-Sik Lee, a materials scientist and engineer at Pohang University of Science & Technology.

Lee and colleague Chungwan Gu deposited a thin film of the perovskite methylammonium lead triiodide on a flexible plastic substrate coated with a transparent indium tin oxide electrode. They deposited gold electrodes on top of the perovskite. This forms a basic resistive memory device, Lee says. Applying a positive voltage (1 V) sets the device to a low resistance ”on” state, and applying an equivalent negative voltage resets it to a high resistance ”off” state.

The researchers measured the two resistance states for more than 2.5 hours and found no degradation in the device’s ability to switch between states, meaning the device could hold information for at least that long. They now plan to test the devices for several weeks.

Given how easy and cheap it is to make perovskites, “these flexible devices could be used in low-cost stretchable and wearable electronics of the future,” Lee says.

http://cen.acs.org/articles/94/web/2016/05/Perovskites-tapped-flexible-nonvolatile-memory.html 

국내 연구진이 게 껍질에서 추출한 '키토산'으로 메모리 소자를 만들 수 있는 기술을 개발했다. 친환경적이고 생체 적합성이 높은 물질을 활용한 만큼 향후 차세대 캡슐형 내시경, 인공근육, 인공장기 등 인체친화형 전자기기의 메모리 소자로 응용할 수 있을 전망이다.

이장식 포스텍 교수(신소재공학과·사진)는 게나 새우 같은 갑각류의 껍질에서 추출한 키토산을 재료로 생체 친화적인 메모리 소자를 개발했다고 12일 밝혔다.

키토산은 게나 새우 껍질의 주성분인 키틴을 탈아세틸화시켜서 만들어지는 물질로 인체에 무해하며 자연분해가 된다는 장점이 있다. 해산물 처리 과정에서 나오는 부산물을 사용하기 때문에 제조단가도 저렴하다.

이 교수팀은 차세대 메모리 소자로 주목받고 있는 '저항변화메모리 소자'를 키토산으로 구현했다. 저항변화메모리 소자는 가해준 전압에 따라 소자의 저항이 바뀌는 것을 이용하는 메모리 소자로, 높은 저항 상태와 낮은 저항 상태를 인위적으로 바꿔줄 수 있다.

연구팀이 개발한 메모리 소자는 백금(Pt), 키토산, 은(Ag)으로 구성됐으며 백금은 하부전극, 은은 상부전극, 키토산은 저항변화물질로 사용됐다. 키토산을 이용한 저항변화메모리 소자는 낮은 동작 전압, 우수한 정보저장능력을 발휘했으며 반복적으로 메모리를 쓰고 지우더라도 성능을 유지하는 것으로 나타났다. 더불어 연구팀은 쉽게 휠 수 있는 플렉서블 기판을 이용한 메모리 소자 제작도 가능하다는 것을 확인했다.

이 교수는 "안전하고 친환경적인 소재로 된 메모리 소자를 만들겠다는 목표로 연구를 시작해 게 껍질에서 추출한 키토산을 기반으로 하는 생체적합 메모리 소자를 개발할 수 있었다"고 말했다.

이 연구결과는 나노과학 분야 국제학술지 'ACS나노' 온라인판 12월 16일자에 게재됐다. 

<관련기사> 한국경제 15-01-12, 디지털타임즈 15-01-12, 한겨례 15-01-13, YTN 15-01-12, OSEN 15-01-12, 매일경제 15-01-12, 디지털타임스 15-01-12, 파이낸셜뉴스 15-01-12, 헤럴드경제 15-01-12, 산업일보 15-01-19, 동아사이언스 15-01-12, 아시아경제 15-01-12, ITNEWS 15-01-14, IT 타임스 15-01-12, 기장신문 15-01-14, 일간대한뉴스 15-01-12, 뉴시스 15-01-12, 전자신문 15-01-12, 서울뉴스통신 15-01-12, 헤드라인제주 15-01-12, 동양뉴스통신 15-01-12, 경제투데이 15-01-12, 경기매일 15-01-12, 뉴스웨이 15-01-12, 아이티비즈 15-01-13, 머니투데이 15-01-12, 서울경제 15-01-12, 신소재경제신문 15-01-13 

포스텍 신소재공학과 이장식교수팀이 차세대 입는 컴퓨터에 사용될 플렉시블 메모리 소자로 주목받는 유기메모리소자의 정보저장 능력을 4배 향상시키는 기술을 개발했다.

이 교수팀은 21일 유기메모리소자에서 정보저장층으로 사용되는 금 나노입자에 실리카 껍질을 나노미터 두께로 입히는 방법으로 저장된 정보의 안정성을 금 나노입자만 사용했을 때 보다 4배 향상시키는 데 성송했다고 밝혔다. 실험결과 실리카 껍질을 입힌 금 나노입자로 만든 유기메모리소자는 저장된 메모리가 1년 후 60% 유지되는 것으로 나타나 금 나노입자만 사용한 경우(메모리 유지비율 15% 정도)보다 정보저장능력이 4배 향상된 것으로 나타났다.

이 교수는 "이번 기술 향상은 유기메모리소자를 당장 상용화하는 데는 부족하지만 상용화에 가장 큰 문제점이었던 정보저장능력을 근본적으로 개선할 방법을 제시하고 제조공정 단계를 획기적으로 줄였다는 데 의미가 있다"고 말했다.

<관련기사> 전자신문 14-12-21, 동아사이언스 14-12-21, 경북도민일보 14-12-22, IT news 14-12-29, 연합뉴스 14-12-21, news 1 뉴스 14-12-21,  머니투데이 14-12-21, 시선뉴스 14-12-22, 아시아뉴스 14-12-21, 뉴시스 14-12-21, 디지털타임스 14-12-20, The Huffington Post 14-12-21, HelloDD 14-12-21, 시사뉴스 14-12-21, The Scince Times 14-12-22, 뉴스A 14-12-22, 뉴스통 14-12-22, 산업일보 14-12-23, 청소년경제신문 14-12-23, 안양에듀뉴스 14-12-22, 파이넨셜뉴스 14-12-21, News Etimes 14-12-21