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[IT뉴스]“전원 끊어도 상태 유지”…UNIST, 우주·6G 통신용 초저전력 반도체 소자 개발

온카뱅크관리자

2026-06-22 08:47:28

<div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div> 산화 2차원 소재 기반 다기능 ‘멤리스터’ 구현 RF 스위치·인메모리 연산 동시 수행…면적·전력 획기적 절감 위성통신·방산 등 전력·공간 제약 극심한 환경에 최적화 
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 산화 이황화몰리브덴(MoS2) 기반 다기능 멤리스터 RF 스위치의 구조와 성능. 연구그림=UNIST
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 우주 위성통신과 6G 네트워크 환경에서 데이터 처리 전력과 칩 면적을 획기적으로 줄일 수 있는 차세대 반도체 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 기존 고주파 통신 시스템의 한계로 지적되던 대기 전력 소모와 신호 처리 지연 문제를 근본적으로 해결할 수 있을 것으로 기대된다.
 울산과학기술원(UNIST)은 전기전자공학과 김명수 교수팀이 산화 2차원 반도체 소재를 기반으로 한 다기능 ‘멤리스터(Memristor)’ 반도체 소자를 개발했다고 22일 밝혔다.
 초고속·대용량 데이터를 전송하는 차세대 6G 및 위성통신 기술은 높은 주파수 대역을 활용하기 때문에 고주파 신호의 경로를 제어하는 ‘RF 스위치’의 역할이 절대적이다. 하지만 태양광 등 제한된 에너지로 구동해야 하는 위성통신이나 전력 및 공간 제약이 극심한 엣지 AI 장비에서는 기존 스위치의 높은 동작 전력과 복잡한 공정이 큰 부담으로 작용해 왔다. 또한, 안테나로 들어온 아날로그 고주파 신호를 디지털로 변환해 별도의 프로세서에서 연산해야 하는 기존 방식은 전력 소모와 지연을 가중시켰다.
 연구팀은 2차원 반도체 물질인 이황화몰리브덴(MoS2)에 400℃ 열 산화 공정을 적용해 다기능 멤리스터 소자를 제작하며 이 같은 난제를 풀어냈다. 멤리스터는 메모리와 저항의 성질을 함께 가진 소자로, 전류가 얼마나 잘 흐르는지를 기억하는 특성이 있다.
 이번에 개발된 멤리스터 소자는 통신 고주파 신호의 통로를 제어하는 ‘RF 스위치’와 데이터를 처리하는 ‘연산 소자’ 역할을 하나의 플랫폼에서 동시에 수행한다. 칩 면적을 획기적으로 줄이는 것은 물론, 신호를 다른 회로로 변환하고 이동시키는 과정에서 발생하는 전력 소모와 지연 시간을 대폭 낮췄다.
 특히 ‘비휘발성’을 갖춰 한 번 상태를 전환해 두면 전원을 차단해도 켜짐(ON)과 꺼짐(OFF) 상태가 유지된다. 지속적인 대기 전력 소모가 전혀 발생하지 않는 것이다. 소자를 한 번 켜거나 끄는 데 드는 스위칭 에너지는 140pJ(피코줄, 10⁻¹²) 수준으로 매우 낮고, 상태를 바꾸는 동작 전력 역시 1㎽(밀리와트) 이하에 불과하다.
 안정성과 고주파 성능도 탁월하다. 한 번 바뀐 저항 상태는 4만 초 이상 유지되며, 1000회 이상의 반복 동작에서도 안정성을 입증했다. 초고속 통신에 쓰이는 고주파 대역의 스위칭 성능은 실험을 통해 67㎓까지 검증을 마쳤으며, 계산된 차단주파수는 33.2㎔에 달한다.
 아울러 연구팀은 다수의 소자를 바둑판처럼 배열한 크로스바 회로를 통해 인메모리 행렬 연산 기능도 시뮬레이션으로 검증했다. 각 소자의 저항값이 행렬 계산의 가중치 역할을 해, 별도의 아날로그-디지털 변환 없이도 1024-QAM 신호 복조와 다중입출력(MIMO) 신호 복원 등 복잡한 연산을 자체적으로 수행할 수 있음을 확인했다.
 제1저자인 손주호 연구원은 “기존 상용 반도체 고주파 스위치의 대기 전력 소모와 신호 손실 문제를 근본적으로 해결한 기술”이라며 “차세대 상변화 메모리(PCM)나 미세전자기계시스템(MEMS)과 비교해도 에너지 효율과 초고주파 동작 속도, 초소형화 측면에서 우수한 경쟁력을 갖췄다”고 설명했다.
 김명수 교수는 “산화 2차원 반도체 기반 멤리스터가 고성능 밀리미터파 RF 스위치뿐만 아니라 6G 신호처리에 필요한 인메모리 행렬 연산 하드웨어로도 활용될 수 있음을 입증했다”며 “비휘발성, 저전력, 고주파 특성을 두루 확보한 만큼 향후 위성통신, 레이더, 방산용 전파 제어 시스템 등의 소형화와 에너지 효율 향상에 크게 기여할 것”이라고 강조했다.
 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단, 정보통신기획평가원의 우수신진연구 및 Space-K BIG 프로젝트 등의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 재료 분야 세계적 권위지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 지난 6월 6일 자로 온라인 게재됐다.
 울산=장지승 기자 jjs@sedaily.com
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