[충청뉴스 이성현 기자] 충남대학교는 물리학과 유영준 교수 연구팀이 충북대, 하버드대, 부산대와 자외선-오존 산화 기법을 바탕으로 세계 최고 수준의 초저전력 메모리 소자를 구현하는 데 성공했다고 2일 밝혔다.
이번 연구 성과는 에너지 분야 국제 저널 ‘Nano Energy’ 9월호에 정식 게재됐다.
이번 연구는 충남대 김종윤 박사, 권오훈 박사, 신범규 박사과정, 충북대 최의영 석사과정이 공동 제1저자로, 충남대 유영준 교수와 충북대 김한슬 교수가 공동 교신저자로 참여했다.
최근 인공지능과 빅데이터 기술이 급속히 발전하면서, 연산에 필요한 메모리 소자의 전력 소모와 발열 문제는 중요한 기술적 과제로 부상하고 있다.
기존 메모리 기술인 플래시, RRAM, PCM은 속도와 저장 성능이 뛰어나지만 여전히 높은 전압과 전력 소모라는 기술적 한계가 존재한다.
이에 연구팀은 WS₂, 산화 hBN(OBN), 그래핀을 수직 적층해, 전계 인가 시 전자가 OBN층에 터널링돼 저장되는 새로운 개념의 메모리 소자를 구현했다. 연구팀은 자외선-오존(UV-O₃) 처리를 통해 육각형 붕소질소(hBN)를 산화시켜 트랩층으로 활용했다.
그 결과 해당 소자는 기존 메모리 소자보다 수백~수천 배 적은 에너지로 동작하는 높은 성능을 보여줬다.
특히 산화된 hBN이 깊은 전하 트랩 상태를 형성해 전계가 사라진 뒤에도 전자를 안정적으로 유지할 수 있어, 차세대 비휘발성 메모리 기술의 실현 가능성을 확인했다.
해당 소자는 게이트 전압 ±0.3 V 수준에서도 구동되며 전력 소비는 약 6×10⁻20 J(60 zJ)로 측정돼 현재 보고된 메모리 소자 중 가장 낮은 수준을 기록했다.
또 20 ns 이내의 초고속 쓰기·지우기 동작은 물론, 데이터 보존력과 반복 동작 안정성에서도 우수한 성능을 입증했다.
특히 UV-O₃ 산화 방식을 활용해 기존 반도체 공정과의 결합이 용이하다는 점도 장점이다. 고온 공정이 필요 없고 박막 상태에서 정밀한 산화 조절이 가능해, 차세대 인공지능 칩, 웨어러블 디바이스, 초저전력 IoT 센서 등 다양한 플랫폼으로의 확장이 기대된다.
유영준 교수는 “이번 연구는 단순한 소자 성능 개선을 넘어 AI 시스템의 에너지 효율성과 탄소중립 기술 확보에 기여할 수 있다는 점에서 의미가 크다”며 “특히 차세대 인공지능 반도체 및 저전력 시스템 개발에 중요한 전환점을 제시할 것으로 기대된다”고 설명했다.
