한국재료연구원은 에너지전자재료연구실 권정대 김용훈 박사 연구팀이 충북대 조병진 교수 연구팀과 함께 차세대 뉴로모픽 반도체에 들어가는 핵심소재를 국내 최초로 개발했다고 18일 밝혔다. 뉴로모픽 반도체는 인간 뇌의 효율적인 정보처리 메커니즘을 모방하는 반도체를 말한다.

연구팀은 수 나노미터(10억분의 1미터) 두께의 2차원 나노소재를 이용해 신개념 멤트랜지스터 소자를 구현했다.

멤트랜지스터는 '메모리'와 '트랜지스터'의 합성어다. 연구팀은 1000번 이상의 전기자극으로 신경 시냅스의 전기적 가소성을 재현성 있게 모방해 약 94.2%(시뮬레이션 기반 패턴 인식률 98%)의 높은 패턴 인식률을 얻는 데 성공했다.

반도체 소재로 널리 사용되는 몰리브덴황(MoS2)은 단결정 내에 존재하는 결함이 외부 전계에 의해 움직이는 원리로 작동된다.

하지만 이는 결함의 농도나 형태를 정밀하게 제어하기 어려운 문제가 있었다. 연구팀은 문제 해결을 위해 산화니오븀(Nb2O5) 산화물층과 몰리브덴황 소재를 순차적으로 적층하는 방법을 택했다. 이를 통해 외부 전계에 의한 높은 전기적 신뢰성을 갖춘 멤트랜지스터 구조의 인공 시냅스 소자를 개발할 수 있었다. 또한 연구팀은 산화니오븀 산화물층의 두께를 변화시켜 저항 스위칭 특성을 자유롭게 조절하고, 10피코줄(pJ)의 매우 낮은 에너지로도 기억·망각과 관련된 뇌의 정보를 처리할 수 있음을 입증했다.

재료연은 "신개념 멤트랜지스터 구조 기반 인공지능 반도체 소자가 활용될 경우, 회로 집적도와 구동 에너지를 크게 줄일 수 있다"며 "향후 저전력 엣지 컴퓨팅과 웨어러블 인공지능 시스템에 적용이 가능할 것"이라고 말했다.