충남대 이종원 교수팀, ‘Nature Communications’ 논문 게재

[충청뉴스 이성현 기자] 충남대학교는 반도체융합학과 이종원 교수가 가천대, 나노종합기술원, 한국과학기술원과 CMOS 공정과 완전히 호환되는 임계-스위칭형 멤리스터 반도체 소자를 개발했다고 24일 밝혔다.

연구팀은 이를 Edge In-Sensor Computing 전기화학 바이오센서 시스템에 적용해 임계-센싱 기능을 실험적으로 입증했다.

이번 연구 성과는 반도체 분야 국제 저명 학술지 ‘Nature Communications’에 지난 3일자로 출판됐다.

이번 연구는 충남대 이종원 교수, 가천대 김영준 교수, 한국과학기술원 최신현·김경민 교수가 공동 교신저자로 참여했으며 나노종합기술원 권윤아 연구원은 공동1저자, 충남대 이아령 학사과정이 공동저자로 참여했다.

사물인터넷(IoT) 센서는 주변 환경이나 생체 정보를 실시간으로 수집하지만, 지금까지는 대부분의 데이터가 클라우드로 전송돼 처리되면서 시간 지연과 전력 소모 문제가 발생해 왔다. 이를 해결하기 위한 대안으로 데이터를 멀리 보내지 않고 센서 인근에서 즉시 처리하는 ‘엣지 AI(Edge AI)’ 기술이 차세대 AI 반도체의 핵심 기술로 주목받고 있다.

특히 최근에는 센서 근처를 넘어, 센서 자체에서 판단과 처리를 동시에 수행하는 ‘인-센서 컴퓨팅(In-Sensor Computing, ISC)’ 기술이 각광받고 있다.

이 기술은 별도의 복잡한 연산 장치 없이도 신호를 바로 처리할 수 있어, 향후 휴대용·웨어러블 전자기기를 더욱 작고 가볍고 전력 소모가 적은 형태로 구현할 수 있는 가능성을 제시한다.

연구팀은 이러한 ISC 구현을 위해 ‘멤리스터(memristor)’라는 차세대 전자소자에 주목했다. 멤리스터는 입력 신호가 일정 기준을 넘으면 저항 상태가 급격히 변하는 특성을 지니고 있어 특정 값 이상인지 여부를 즉각적으로 판단해야 하는 바이오센서에 적합한 소자다.

이번 연구에서는 기존 바이오센서 구조에 단 하나의 멤리스터 소자만 추가해 생체 신호를 전기 신호로 바꾸는 기능과 함께 신호가 기준값을 넘었는지를 스스로 판단하는 ‘임계 센싱’ 기능을 동시에 구현하는 데 성공했다.

나아가 연구팀은 개발된 트랜스듀서를 중심으로, 앞단에는 바이오센서 전극을, 뒷단에는 신호처리 회로단과 디스플레이를 집적한 완결형 초경량 ISC 시스템 수준의 시작품(prototype)을 구현함으로써 실제 응용 가능성까지 제시했다.

이종원 교수는 “이번에 개발한 임계-센싱형 멤리스터는 국가 나노인프라인 나노종합기술원의 180nm CMOS 공정 기술을 활용해 우수한 소자 성능을 확보했다”며 “해당 기술은 TSMC 등 산업계의 embedded Non-Volatile Memory(eNVM) 공정과 재료 측면에서 높은 호환성을 갖고 있어, 학술적 성과를 넘어 산업적 활용 가능성도 존재한다”고 말했다.