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[IT뉴스]나노입자 틈 좁혀 작동전압 7분의 1로…'뇌 닮은' AI 반도체 소자

온카뱅크관리자

2026-08-25 17:57:25

<div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div> 광주과학기술원·한국에너지공대 
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 <img alt="GIST·KENTECH 공동연구팀이 소자의 나노입자 사이 균일한 틈을 조절해 작동 전압을 낮추고 안정적인 휘발성 스위칭을 구현한 차세대 인공지능 소자를 개발했다. ChatGPT 생성이미지" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202608/25/dongascience/20260825174753111jgys.png" data-org-width="680" dmcf-mid="Kxa51xvmnT" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img3.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202608/25/dongascience/20260825174753111jgys.png" width="658">
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 GIST·KENTECH 공동연구팀이 소자의 나노입자 사이 균일한 틈을 조절해 작동 전압을 낮추고 안정적인 휘발성 스위칭을 구현한 차세대 인공지능 소자를 개발했다. ChatGPT 생성이미지
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 전류 흐름을 불규칙하게 만드는 요소로 여겨졌던 소자 내 나노입자 틈을 정밀하게 조절해 낮은 전력에서도 안정적으로 작동하는 차세대 인공지능(AI) 반도체 소자가 개발됐다. 입자 사이 간격을 조절하자 소자 작동에 필요한 전압이 기존의 약 7분의 1 수준으로 감소했다.
 광주과학기술원(GIST)은 이상한 신소재공학과 교수팀이 오명환 한국에너지공대(KENTECH) 에너지공학부 교수팀과 공동으로 산화코발트 단결정 나노입자를 규칙적으로 배열하고 입자 사이 틈을 제어한 '휘발성 멤리스터'를 개발했다고 25일 밝혔다. 연구결과는 국제학술지 '어드밴스드 컴포짓&amp;하이브리드 머티리얼스'에 지난달 30일 온라인 게재됐다.
 멤리스터는 가해진 전압이나 전류에 따라 저항 상태가 변하는 특성을 이용해 정보를 저장·처리하는 전자소자다. 휘발성 멤리스터는 전기 자극을 받으면 저항이 변하고 자극이 사라지면 원래 상태로 회복되는 '휘발성 스위칭' 특성을 활용한 멤리스터다.
 휘발성 스위칭은 외부 자극에 따라 일시적으로 신호를 기억했다가 잊는 생물학적 신경세포의 특성을 모사할 수 있어 '뉴로모픽 컴퓨팅' 등 차세대 정보처리 기술에 활용될 수 있다.
 기존 산화물 기반 휘발성 멤리스터는 전기 자극을 받으면 소자 내부에 전류가 집중적으로 흐르는 '전도 경로'가 형성됐다가 사라지는 방식으로 작동한다. 경로가 매번 다른 곳에 다른 형태로 생성되기 때문에 소자별 동작 특성이 달라진다는 문제가 발생한다.
 연구팀은 전류가 흐르는 길을 소자가 작동할 때마다 새로 만들지 않고 소자를 제작할 때부터 정해두는 방법을 고안했다. 약 10나노미터(nm·10억분의 1미터) 크기의 산화코발트 단결정 나노입자를 바둑판처럼 규칙적으로 배열하고 입자 사이에 평균 약 3nm 크기의 균일한 나노 틈이 반복되는 구조를 설계했다.
 나노입자는 스스로 규칙적인 구조를 이루는 '자기조립' 방식을 활용해 배열했다. 용매가 증발하면서 생기는 표면장력 차이가 나노입자를 이동시키는 '마랑고니 효과'를 이용해 넓은 영역에 일정한 2차원 격자 구조를 형성하도록 했다.
 연구팀은 틈의 효과를 확인하기 위해 나노입자 사이에 틈이 없는 연속적인 박막과 규칙적인 나노 틈이 있는 소자를 동일한 산화코발트 소재로 각각 제작해 비교했다.
 실험 결과 박막에서는 안정적인 메모리 스위칭이 나타나지 않았다. 나노 틈이 반복되는 소자에서는 안정적이고 반복 가능한 휘발성 스위칭이 확인됐다.
 연구팀이 개발한 멤리스터는 약 10나노암페어(nA)의 낮은 전류에서도 작동했다. 100회 연속 측정에서 스위칭 전압의 변동계수가 9% 미만으로 나타나 소자 간 동작 균일성과 재현성이 확인됐다.
 연구팀이 나노 틈을 약 3nm에서 1nm로 좁히자 스위칭이 시작되는 평균 전압이 8.75볼트(V)에서 1.20V로 낮아졌다. 같은 소재를 사용하면서 입자 사이 구조만 바꿔 작동 전압을 약 7분의 1 수준으로 낮춘 것이다.
 사람의 장·단기 기억과 비슷한 특성도 확인됐다. 멤리스터는 전기 자극의 세기와 시간에 따라 서로 다른 회복 특성이 나타났다. 짧은 자극 후에는 약 1~2마이크로초(μs·100만분의 1초) 만에 원래 상태로 돌아왔지만 강한 자극을 오래 가하면 회복에 1분 이상 소요됐다. 하나의 소자에서 빠르게 사라지는 '단기 기억'과 비교적 오래 지속되는 '장기 기억'과 유사한 특성이 나타난 셈이다.
 연구팀은 빠른 회복이 전자의 이동이나 방출 등 전자적 과정과 관련된 것으로 해석했다. 느린 회복은 나노입자 접합부에서 이동한 이온이 다시 확산하는 과정과 연관된 것으로 분석됐다. 향후 시간에 따라 변하는 신호를 처리하는 '뉴로모픽 정보처리 소자' 개발 등에 활용될 것으로 기대된다.
 이상한 교수는 "기존에는 전류 흐름을 불규칙하게 만들 수 있는 요소로 여겨졌던 나노입자 사이의 틈을 오히려 소자의 동작을 제어하는 설계 요소로 활용했다"며 "낮은 전류에서 안정적으로 작동하면서 서로 다른 시간대의 회복 특성까지 확인한 만큼 향후 저전력 뉴로모픽 소자 개발에 활용될 것으로 기대한다"고 말했다.
 &lt;참고 자료&gt; doi.org/10.1007/s42114-026-01993-3
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 <img alt="왼쪽부터 이상한 GIST 신소재공학과 교수,오명환 KENTECH 에너지공학부 교수, 오인혁 GIST 신소재공학과 박사과정생, 황준범 박사후연구원, 강민우 KENTECH 에너지공학부 석박사통합과정생. GIST 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202608/25/dongascience/20260825174754348bwrf.jpg" data-org-width="680" dmcf-mid="9wSVfEu5Rv" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img4.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202608/25/dongascience/20260825174754348bwrf.jpg" width="658">
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 왼쪽부터 이상한 GIST 신소재공학과 교수,오명환 KENTECH 에너지공학부 교수, 오인혁 GIST 신소재공학과 박사과정생, 황준범 박사후연구원, 강민우 KENTECH 에너지공학부 석박사통합과정생. GIST 제공
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 [문혜원 기자 moony@donga.com]
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