[한국기술뉴스] 아주대학교 박성준 교수 공동 연구팀이이 높은 동작 범위와 채널 전도도를 갖는 IGZO 뉴로모픽 전자소자를 개발하는 데 성공했다. 이 전자소자를 활용하면 차세대 기술로 주목받고 있는 뉴로모픽 반도체 기술에 적용이 가능할 전망이다. 

박성준 교수(전자공학과, 사진 오른쪽)는 세계 최고 수준의 높은 동작 범위(dynamic range)와 채널 전도도(channel conductance)를 갖는 IGZO 뉴로모픽 전자소자를 개발했다고 밝혔다. 해당 논문은 ‘초-동적범위 IGZO 뉴로모픽 트랜지스터(Ultra-large dynamic range synaptic indium gallium zinc oxide transistors)’라는 제목으로 국제 저명 학술지 <어플라이드 머터리얼스 투데이(Applied materials today)> 10월 온라인판에 게재됐다. 

이번 연구에는 아주대 전자공학과 석사과정의 곽태현 학생(사진 왼쪽)과 한국화학연구소(KRICT) 김명진 박사, 미국 퍼듀대 이원준 박사가 공동 제1저자로 참여했다. 박성준 아주대 교수와 한국화학연구소화학소재연구본부 고기능고분자연구센터의 김용석 센터장은 공동교신저자로, 한국화학연구소 김은채 연구원, 고려대 왕건욱 교수·장진곤 박사, 전북대 김태욱 교수는 공동저자로 참여했다.

IGZO(InGaZnO, 인듐갈륨아연산화물)는 디스플레이 산업에서 널리 활용되고 있는 화합물 반도체로, 고사양의 OLED(유기 발광 다이오드) 구동소자로 쓰이고 있다. 아주대 연구팀은 IGZO와 다양한 산화물을 기반으로, 기능성 반도체와 인간 신경구조와 유사한 뉴로모픽(Neuromorphic) 전자소자를 연구해왔다. 차세대 기술로 주목받고 있는 뉴로모픽 전자소자는 인간의 뇌와 같이 연산과 저장을 동시에 할 수 있어 전력 소모가 적고 연산 속도가 빠르다. 사물 인터넷, 자율 주행 등에의 폭넓은 활용을 위해서는 데이터 처리가 빠르고 효율적인 반도체가 필요하기에 최근 산업계에서는 뉴로모픽 반도체를 주목해왔다.

뉴로모픽 소자의 전기적 매개변수 중 ▲동적 범위와 ▲채널 전도도는 데이터 저장의 가용 범위 및 데이터 전달을 위한 신호강도를 의미하며, 대규모 병렬 데이터 처리를 위해서는 동시에 높은 수치의 값을 확보하는 것이 중요하다. 기존의 뉴로모픽 전자장치는 반도체 혹은 절연체의 고유 특성으로 인해 동작 범위와 전도도가 낮다는 한계를 보여왔다. 이에 데이터 송수신 시 낮은 데이터 신호 강도로 인해 데이터 증폭을 위한 전력 소모가 많고, 잡음(노이즈)에 의해 계산의 정확도가 낮아지는 원인이 되어 왔다.  

이를 개선하기 위해 그동안 학계에서는 여러 방안을 연구·적용해왔다. 계면 전자 트랩 효과, 강자성 절연체 사용, 전해질 이온 기반 동작 등과 같은 기존의 방법들은 데이터 저장 시간이 길지 못하고, 장기적 구동 시 채널 물질과 절연체의 특성 변화로 인해 요구 수준 이상의 동작 범위와 채널 전도도를 만족시키지 못했다. 

공동 연구팀은 합성된 고분자 절연체층을 자외선 환경에서 광가교(photo-crosslink, 빛을 이용해 고분자를 서로 연결(cross-linking)시키는 화학 반응) 할 때 첨가되는 가교제의 양에 따라 내부 수산기(hydroxyl group, 수소와 산소로 이루어진 작용기 -OH)의 양이 변하는 현상에 주목했다. 연구팀은 자외선 광에너지와 극성 용매가 수산기를 증가시키는 한편 필름의 결합력도 높여 내·외부 환경 및 화학적 안정성을 동시에 향상시킨다는 사실을 규명해냈다. 이를 바탕으로 높은 동작 범위를 확보하고, 구동 안정성이 높은 IGZO 뉴로모픽 소자를 개발하는 데 성공했다. 이에 뉴로모픽 반도체 연구 개발을 진행 중인 화학·반도체 소재 및 응용 분야 산업계에서 높은 관심을 받을 것으로 전망된다.

박성준 교수는 “이번 연구는 세계 최고 수준의 동적 범위와 채널 전도도를 동시에 만족하는 뉴로모픽 전자소자를 성공적으로 개발했다는 데 그 의의가 있다”며 “화학소재 합성 및 반도체 공학의 융합기술로, 앞으로 AI 알고리즘을 동반한 사물인터넷(IoT) 기술, 가상화(AR, VR, XR) 기술, 의료 빅데이터 분석 및 진단 등에 널리 활용될 것으로 기대한다”고 전했다.

한편 이번 연구는 한국전력공사 사외공모 기초연구사업, 과학기술정보통신부 한국연구재단(기본연구, 기초연구실, 이공학학술연구기반구축, 미래소재디스커버리사업, 대학ICT연구센터지원사업 (ITRC)), 산업통상자원부(K-센서 기술개발사업), 한국산업기술진흥원(바이오 융복합기술 전문인력양성 사업)의 지원으로 수행되었다.