단국대학교는 융합반도체공학과 홍웅기 교수 연구팀이 차세대 인공지능(AI) 반도체 핵심 소자인 저항변화메모리(RRAM) 신뢰성과 동작 안정성을 향상할 수 있는 공정 기술을 개발했다고 16일 밝혔다. RRAM은 저항값의 변화를 이용해 데이터를 저장하는 비휘발성 메모리로, 전원이 꺼진 상태에서도 저장된 정보를 유지할 수 있다. 그러나 반복 구동에 따른 내구성과 동작 안정성이 낮다는 점은 상용화를 가로막는 주요 과제다. 연구팀은 차세대 반도체 소재인 이황화몰리브덴(MoS₂)에 주목해 전자빔 증착(e-beam evaporation) 공정을 활용한 신뢰성 향상 기술을 개발했다. MoS₂는 높은 집적도와 낮은 소비전력 특성을 갖춰 차세대 메모리 소재로 각광받는다. 하지만 데이터 저장 과정에서 형성되는 전도성 필라멘트(conductive filament)가 불규칙하게 생성돼 소자 성능과 신뢰성이 저하되는 문제점이 있다. 연구팀은 상부 전극의 증착 속도를 정밀하게 제어해 금속 원자가 MoS₂ 내부 결함으로 침투하는 정도를 조절하는 방법을 제안했다. 실험 결과, 초당 0.1Å(옹스트롬)의 낮은 증착 속도 조건에서 제작된 소자는 약 10⁴(1만 배)에 이르는 저항 차이를 구현하며 우수한 메모리 성능을 보였다. 해당 소자는 1만 회 이상의 반복 구동 후에도 안정적인 동작 특성을 유지했으며, 2,000초 이상 데이터를 안정적으로 저장하는 것으로 확인됐다. 이번 연구 성과는 미국물리학협회(AIP)가 발행하는 응용물리학 분야 국제학술지 「Applied Physics Letters」에 게재됐으며, Editor‘s Pick으로 선정됐다. 논문 제목은 ‘Engineering stable conductive filament formation in MoS₂ resistive random access memory via process-controlled metal incorporation into defects for enhanced electrochemical metallization switching’이다. 연구는 한국연구재단 ‘차세대지능형반도체기술개발사업’, 정보통신기획평가원 ‘정보통신방송혁신인재양성사업(대학ICT연구센터)’, 한국산업기술진흥원 ‘산업혁신인재성장지원사업(교육훈련)’의 지원을 받아 수행됐다.

화학적 방법으로 더 이상 나눌 수 없는 기본단위 입자인 원자 두께에 불과한 ‘발전기’가 개발됐다. 미국 나노과학기술전문매체 나노워크(Nanowerk)는 컬럼비아 대학 기계공학, 조지아 공과대학 재료과학 공동 연구진이 전기를 생산할 수 있는 세계에서 가장 얇은 발전기 개발에 성공했다고 15일(현지시간) 보도했다. 연구진은 MoS₂ 분자식을 가지는 흑색 분말 형태의 고체 윤활제 이황화 몰리브덴(molybden disulphide)에 오른쪽 방향으로 신축-압력을 가했을 때, 전력 생산이 가능하다는 것을 발견했다. 이는 한 종류의 결정판(結晶板)에 일정 방향으로 압력을 가해주면 판 양면에 생겨난 외부 힘에 비례하는 양전하-음전하가 나타나 전력이 만들어지는 압전기(piezoelectricity)의 원리다. 쉽게 말해, 일정 결정에 외부응력을 가해주면 그 결정의 전기분극이 변화해 전력이 만들어지는 것으로 이를 응용해 전화기, 라디오 스피커, 초음파 탐지기, 원거리 통신회로가 제작된다. 이렇게 만들어진 이황화 몰리브덴 발전기는 무엇보다 원자 입자정도에 불과한 얇은 두께라는 특징을 갖고 있어 주목된다. 예를 들어, 이런 나노 발전기는 제조 공정 순서에서 의류에 포함돼 자체적으로 전력을 생산하는 옷 개발이나 공간과 크기에 구애받지 않는 의료기기 개발 분야 등에 폭넓게 활용될 수 있다. 이와 관련해 컬럼비아 대학 기계공학과 제임스 혼 교수는 “해당 발전기는 일정 재료가 나노 크기로 축소된 상태에서 놀라운 성능을 드러냈을 때 얼마나 유용한 물질로 활용될 수 있는지를 입증한 첫 번째 연구사례”라며 “해당 물질이 세상에 존재하는 모든 제조용품에 유용하게 적용될 수 있도록 지속적인 추가 응용 연구를 진행할 것”이라고 설명했다. 한편 이 연구결과는 네이처 출판그룹(Nature Publishing Group)에서 발행하는 세계적 기초과학종합학술지 네이처(Nature) 15일자에 게재됐다. 사진=Columbia Engineering and the Georgia Institute of Technology 조우상 기자 wscho@seoul.co.kr