고려대, 저전력 고성능 광전자 멤리스터 소자 장치 개발 

- 비휘발성 메모리, 논리 연산, 광학 감지를 통합한 차세대 기술 제시

△ 전기적 비휘발성 메모리, 광학 센싱 및 논리 기능을 통합한 광전자 멤리스터 장치의 전체 구조 개략도

고려대학교 (총장 김동원) 전기전자공학부 심재원 교수 연구팀이 사물인터넷(IoT) 시스템을 위한 비휘발성 메모리, 논리 연산, 광학 감지를 통합한 저전력 고성능 광전자 멤리스터 소자를 개발했다. 

연구결과는 세계적으로 저명한 학술지인 ‘Advanced Functional Materials’ (IF:18.5)에 한국시간 기준 지난 3일에 온라인 게재됐다.

*논문명 : Intermediate Layer-Assisted Trap Density Reduction in Low-Power Optoelectronic Memristors for Multifunctional Systems

*DOI: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202421080

오늘날 사물인터넷(Internet of Things) 시스템 장치는 사물 감지, 데이터 처리 및 저장 기능이 개별 구성 요소로 분산돼 있다. 이 때문에 전력 소비의 증가, 데이터 전송 속도 저하 등의 문제가 발생한다. 이를 해결하기 위해서는 메모리 저장, 광학 감지, 논리 연산 기능이 통합된 차세대 사물인터넷 통합 장치 개발이 필수적이다. 

통합 장치 개발 기술로 비휘발성 광전자 멤리스터(optoelectronic memristor, OEM)가 새롭게 떠오르고 있다. 이 기술은 전기와 광학 자극이 주어지면 동시에 반응하며, 특히 페로브스카이트 소재를 활용할 시, 높은 감도와 저전력에도 효율적으로 사용할 수 있다. 다만 통제되지 않는 경로를 따라 형성되는 필라멘트 문제와 잦은 결함이 생기는 현상으로 상용화에 어려움을 겪고 있다. 

연구진은 이 문제를 해결하고자, 하단 전극과 저항 스위칭 층 사이에 원자층 증착(atomic layer deposition, ALD) 기반의 이산화티타늄(TiO₂) 나노박막을 적용해, 결함을 효과적으로 부동태화하고, 필라멘트의 형성을 효과적으로 제어할 수 있는 차세대 광전자 멤리스터 소자 장치를 개발했다. 

* 부동태화(不動態化): 화학 금속 표면에 산화 피막을 입혀 내식성을 높이는 일. 금속이 본래의 반응성을 잃고 화학적으로 안정한 상태로 된다. 알루미늄ㆍ크로뮴 도금 따위가 공기 속에서 녹슬지 않는 현상이 이에 속한다.

이산화티타늄(TiO₂) 나노박막은 페로브스카이트 계면과 접촉하면서 화학적 상호작용을 일으켜 필라멘트 형성에 도움이 되는 기반층의 역할을 하게 된다. 이렇게 기반층이 생기면서 필라멘트 경로가 통제되자, 결함 발생 빈도가 줄어들고 장치의 안정성이 크게 높아졌다. 연구진은 기존에 보고된 작동 전력보다 낮은 0.24 볼트(V)의 전압과 0.7 마이크로와트(μW)에서도 가동되는 비휘발성 저항 스위칭 메모리 기능을 실현했다. 

또한 개발된 장치는 근적외선 (파장대:730 나노미터(nm)) 조명에서도 높은 광반응을 보여 안정적으로 사물 감지 기능을 수행했다. 또한 세계 최초로 flip-flop 게이트의 복잡한 논리 연산을 효율적으로 수행하며, 다기능 시스템에 적합한 우수한 성능을 입증했다. 

*flip-flop 게이트: 디지털 회로에서 1비트의 데이터를 저장하거나 유지할 수 있는 기본 기억 소자로, 입력 신호와 클록 신호에 따라 상태를 변경하거나 유지하며, 주로 레지스터, 카운터, 메모리 등 순차 논리 회로에서 사용된다.

연구를 주도한 심재원 교수는 “이번 연구 결과는 비휘발성 메모리, 광학 감지, 논리 기능을 통합한 차세대 멤리스터 장치의 가능성을 열었다”고 말하며, “기존 장치의 과도한 전력 소비 문제를 해결하고 저전력 사물인터넷 시스템에 실용적으로 활용할 수 있는 기술을 제시했다” 고 말했다. 

본 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 한국연구재단의 중견연구 및 ㈜삼성전자의 지원을 받아 수행됐다. 

[그림 1] 

[그림 1] 설명 : (왼쪽부터) 고려대학교 전기전자공학부 심재원 교수(교신저자),  이민종 석박사과정(제1저자)