[충청뉴스 이성현 기자] 충남대학교는 신소재공학과 최민섭 교수 연구팀이 광주과학기술원(GIST) 연구팀과 2차원 야누스(Janus) 전이금속칼코겐화합물(TMD)의 고유한 내부 분극을 활용해 기존 대칭형 TMD 소재보다 우수한 전기적 특성을 갖는 초박막 비휘발성 메모리 소자를 개발했다고 11일 밝혔다.
이번 연구 성과는 나노 소재 분야 최우수 학술지인 ‘Nano-Micro Letters’에 1월 26일 게재됐다.
야누스 구조는 상·하부면의 비대칭적인 금속–칼코겐 결합으로 인해 자발적인 전기분극이 형성되며, 이로부터 내부 전기장이 유도되는 특징을 갖고 있다.
연구팀은 이러한 내부 분극이 전하 주입과 포획 과정에서 핵심적인 역할을 수행함으로써 기존 대칭형 TMD 기반 소자 대비 더 넓은 메모리 윈도우와 향상된 데이터 유지 특성을 구현할 수 있음을 실험적으로 입증했다.
특히 동일한 터널링 장벽 두께 범위(약 5nm 이하)에서도 야누스 TMD 기반 소자는 비야누스 TMD 소자에 비해 프로그램·소거 효율, 장기 전하 유지 성능, 전기적 반복 내구성에서 모두 우수한 특성을 보였다.
이는 외부 전계 인가나 복잡한 공정 제어 없이도 물질 고유의 내부 분극만으로 비휘발성 메모리 특성을 효과적으로 조절할 수 있음을 보여주는 결과로써 초박막 2차원 반도체 메모리의 구조적 한계를 극복할 수 있는 새로운 방향을 제시한다.
또 내부 분극에 기반한 아날로그적 전하 변조 특성은 인간의 시냅스 기능을 모사하는 신경모방(뉴로모픽) 소자 구현에도 직접적으로 활용될 수 있다. 연구팀은 야누스 구조의 연속적이고 가역적인 전하 조정 능력을 통해 시냅틱 가중치 조절은 물론, 장기 강화(LTP)와 장기 억제(LTD) 특성 구현이 가능할 것으로 보고 있다.
이를 통해 향후 인공지능 하드웨어용 저전력 학습 소자로의 발전 가능성도 크다고 전망했다.
최민섭 교수는 “이번 연구는 물질의 내재적 분극 설계만으로 메모리와 뉴로모픽 기능을 동시에 향상시킬 수 있음을 실증함으로써, 차세대 2차원 기반 인공지능 반도체 소자 개발의 중요한 전환점을 제시한 점에서 의미가 있다”고 설명했다.
