2차원 소재를 적용한 다치논리소자는 2진법 기반 디지털 컴퓨터의 큰 전력 소모량의 한계를 극복하는 기술이며, 이를 이용한 신개념, 저전력 병렬연산 AI 개발과 미래 초절전 반도체 소자·회로의 기반과 더 나아가 인간 뇌 기억을 담당하는 뉴런과 시냅스 기능을 모사하는 인공지능 뉴로모픽 반도체 개발에 기여할 것으로

이명재 박사(사진)는 현대전자(現 SK하이닉스), 1G DRAM 개발, 전자부품연구원(KETI), 평판 디스플레이소자 개발, 삼성전자(삼성종합기술원), 비휘발성 메모리 개발, 기초과학연구원(IBS) 연구위원, 2차원 소재 개발 등과 지난해까지 DGIST 지능형소자융합연구실장을 역임하고 현재, DGIST 융합연구원 책임연구원으로 재임하고 있다.
이명재 박사(사진)는 현대전자(現 SK하이닉스), 1G DRAM 개발, 전자부품연구원(KETI), 평판 디스플레이소자 개발, 삼성전자(삼성종합기술원), 비휘발성 메모리 개발, 기초과학연구원(IBS) 연구위원, 2차원 소재 개발 등과 지난해까지 DGIST 지능형소자융합연구실장을 역임하고 현재, DGIST 융합연구원 책임연구원으로 재임하고 있다.

국내 연구진 대구경북과학기술원(DGIST) 나노융합연구부 이명재 박사 연구팀이 방대한 양의 빅데이터 처리나 인간의 두뇌를 모방한 사람의 뇌 신경을 모방한 차세대 AI 반도체 뉴로모픽 칩(Neuromorphic Chip)과 같은 인공지능(AI) 개발을 위한 차세대 지능형반도체 소자기술을 개발했다.

기술은 2차원 반도체 소재인 이황화텅스텐(WS2)과 육방정 질화붕소(hexagonal boron nitride. hBN)를 이용해 3진법 적용이 가능한 2차원 소재 기반의 다치(多値)논리소자를 개발한 것이다.

즉, 2차원 소재를 적용한 다치논리소자는 2진법 기반 디지털 컴퓨터의 큰 전력 소모량의 한계를 극복하는 기술이며, 이를 이용한 신개념, 저전력 병렬연산 AI 개발과 미래 초절전 반도체 소자·회로의 기반과 더 나아가 인간 뇌 기억을 담당하는 뉴런과 시냅스 기능을 모사하는 인공지능 뉴로모픽 반도체 개발에 기여할 것으로 기대를 모으고 있다.

그림은 연구팀이 개발한 이황화텅스텐(WS2)과 육방정 질화붕소(hBN) 기반 양자우물 형성 모식도로 2차원 반도체 소재인 이황화텅스텐(WS2)와 육방정질화붕소 (hBN)을 수직으로 적층함으로써, 2차원 소재내의 밴드갭을 조절할 수 있음을 밝혀내고, 양자우물기반의 부성미분저항 특성을 보이는 다치로직소자를 구현했다.
그림은 연구팀이 개발한 이황화텅스텐(WS2)과 육방정 질화붕소(hBN) 기반 양자우물 형성 모식도로 2차원 반도체 소재인 이황화텅스텐(WS2)와 육방정질화붕소 (hBN)을 수직으로 적층함으로써, 2차원 소재내의 밴드갭을 조절할 수 있음을 밝혀내고, 양자우물기반의 부성미분저항 특성을 보이는 다치로직소자를 구현했다.

현재, 대부분의 컴퓨터는 ‘0’과 ‘1’을 사용하는 2진법 기반이다. 반도체나 집적회로(IC) 같은 컴퓨터산업도 2진법을 기반으로 발전해왔다. 하지만 현재에는 빅데이터 처리나 복잡한 연산을 요구하기 때문에 전력 소모량 측면에서 기술적 한계에 다다르고 있다. 이 때문에 방대한 정보량을 구현하면서 전력도 줄일 수 있는 다치논리소자 연구가 세계적으로 진행 중이다. 

특히, 3진법 이상의 논리가 구현 가능한 다치논리소자는 정보를 ‘0’, ‘1’, ‘2’ 이상으로 처리할 수 있어, 2개의 숫자만 사용했던 기존의 2진법보다 처리해야 할 정보의 양이 줄어들어 소비전력이 적고 계산 속도가 빠르다. 이에 따라 대용량의 정보처리가 가능하면서 반도체 집적회로를 더 작게 만들 수 있는 장점이 있다. 

이에 DGIST 이명재 박사 연구팀은 2차원 반도체 소재인 이황화텅스텐과 육방정 질화붕소를 결합해 ‘0’, ‘1’, ‘2’인 3개의 논리상태 구현이 가능한 2차원 소재를 개발한 것으로 연구팀은 두 개의 2차원 반도체 소재를 수직으로 층층이 쌓아올림으로써 육방정 질화붕소 층이 인접하는 이황화 텅스텐 층 간의 전자 상호작용을 크게 줄이는 것을 확인할 수 있었다.

또 이것이 2차원 반도체 소재 내의 전도대 맨 아래 부분의 에너지 준위와 가전자대 맨 위 부분의 에너지 준위 간의 에너지 차를 말하는 밴드갭(band gap)을 제어하는 메커니즘임을 규명했다. 이를 통해 특정 전압 구간에서 전류량이 감소하는 부성미분저항(負性微分抵抗, Negative Differential Resistance) 특성을 가진 다치논리소자를 새롭게 개발했다.

이명재 박사는 “이번에 개발한 새로운 개념의 다치논리소자는 향후 대용량 정보 처리가 필요한 인공지능 소프트웨어를 지원하는 초절전형 소자·회로 기술의 기반이 될 것이며, 향후 두뇌 모방형 반도체와 같은 차세대 지능형반도체 소자 기술의 적용이 기대된다"고 밝혔다.  

한편, 이번 연구는 DGIST 신물질과학전공 김영욱 교수 연구팀과 공동으로 진행했으며, 나노과학 분야의 국제학술지인 ‘ACS NANO’에 '공진 터널링 다이오드를 위한 다중 적층 hBN/WS2 결합 양자우물에서 엑시톤과 트리온 에너지 측정(Measurement of Exciton and Trion Energies in Multistacked hBN/WS2 Coupled Quantum Wells for Resonant Tunneling Diodes- 다운)'이란 제목으로 지난 3일 게재됐다.

 

 

저작권자 © 인공지능신문 무단전재 및 재배포 금지