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[IT뉴스]소자 하나로 뉴로모픽 반도체 누설전류·집적도 문제 동시 해결

온카뱅크관리자

2026-07-30 10:57:32

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 <img alt="왼쪽부터 장호원 서울대 재료공학과 교수, 이상한 GIST 신소재공학과 교수, 조슈아 양 미국 서던캘리포니아대학교 전기·컴퓨터공학과 교수, 김영민 서울대 재료공학과 석박통합과정생, 이윤정 국민대 전자공학과 교수, 양지웅 GIST 신소재공학과 석박통합과정생. GIST 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202607/30/dongascience/20260730104938698jkuh.jpg" data-org-width="680" dmcf-mid="WFIiawEoL6" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img3.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202607/30/dongascience/20260730104938698jkuh.jpg" width="658">
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 왼쪽부터 장호원 서울대 재료공학과 교수, 이상한 GIST 신소재공학과 교수, 조슈아 양 미국 서던캘리포니아대학교 전기·컴퓨터공학과 교수, 김영민 서울대 재료공학과 석박통합과정생, 이윤정 국민대 전자공학과 교수, 양지웅 GIST 신소재공학과 석박통합과정생. GIST 제공
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 인공지능(AI)의 폭발적인 성장으로 전력 문제가 대두되는 가운데 기존 누설 전류 문제를 효과적으로 억제하면서도 정보를 안정적으로 저장하는 신경모사(뉴로모픽) 반도체 소자가 개발됐다.
 광주과학기술원(GIST)은 이상한 신소재공학과 교수팀이 장호원 서울대 재료공학과 교수팀, 조슈아 양 미국 서던캘리포니아대 전기·컴퓨터공학과 교수팀과 공동으로 정보를 안정적으로 유지하고 누설 전류를 효과적으로 억제하는 뉴로모픽 반도체 소자를 개발했다고 30일 밝혔다. 연구결과는 3월 17일(현지시간) 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'에 공개됐다.
 AI 규모가 커지고 성능이 향상되면서 전력 소모도 폭증하고 있다. 데이터 연산과 저장을 별도로 수행하던 기존 컴퓨팅 구조를 벗어나 생물의 뇌를 모방해 기억과 연산을 동시에 처리할 수 있는 뉴로모픽 컴퓨팅이 대안으로 제시된다.
 뉴로모픽 컴퓨팅은 전기 자극에 따라 변화하는 저항을 저장장치인 메모리로 활용한다. 메모리 소자를 가로세로로 교차 배치한 '크로스 바 어레이 구조'는 제한된 공간 내에 소자를 고밀도로 집적하고 대규모 데이터를 병렬로 처리할 수 있다.
 크로스 바 어레이 구조에서는 같은 전기 자극을 반복해도 정보가 일정한 간격으로 저장되지 않은 비선형적 정보 축적, 인접한 소자로 전류가 새는 누설 전류가 연산 정확도 저하의 원인으로 지목된다. 누설 전류를 차단하는 소자를 별도로 추가하면 구조가 복잡해지고 집적도와 공정 효율이 낮아진다.
 연구팀은 전류를 한 방향으로만 흐르게 하는 자기 정류 기능과 정보 저장 기능을 하나의 소자로 구현했다. 전기 신호를 기억하는 강유전체 소재인 비스무트 철 산화물(BiFeO3)이 사용됐다. 강유전체는 전원 공급이 없어도 정보 저장 상태를 유지할 수 있는 소재다.
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 <img alt="공동 연구팀이 개발한 강유전체 기반 단일 소자 뉴로모픽 크로스바 어레이의 구조와 정류 특성. 왼쪽부터 소자 구조 모식도, 제작된 소자의 현미경 사진, 전류가 한 방향으로만 흐르는 자기 정류 특성을 나타낸 전기적 특성 그래프. GIST 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202607/30/dongascience/20260730104939929jkya.jpg" data-org-width="680" dmcf-mid="Ys5TH0FYM8" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img4.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202607/30/dongascience/20260730104939929jkya.jpg" width="658">
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 공동 연구팀이 개발한 강유전체 기반 단일 소자 뉴로모픽 크로스바 어레이의 구조와 정류 특성. 왼쪽부터 소자 구조 모식도, 제작된 소자의 현미경 사진, 전류가 한 방향으로만 흐르는 자기 정류 특성을 나타낸 전기적 특성 그래프. GIST 제공
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 연구팀은 비스무트 철 산화물을 이루는 원자의 20%를 바륨(Ba)으로 치환해 재료 내부에서 전하가 치우치는 분극과 산소 공공(vacancy)의 결합 상호작용을 정밀 제어했다. 산소 공공은 산화물에서 산소 원자가 빠져 생긴 빈자리로 전류 흐름과 정보 저장 성능을 좌우한다. 필요한 만큼만 일정하고 예측 가능하게 움직여야 성능이 좋다.
 전압을 인가하자 산소 공공이 통제된 상태로 이동하며 전류 누설과 메모리 셀 사이의 저장 편차 등 기존 문제가 완화됐다. 실험 결과 1000만회 이상의 정보 쓰기·지우기 시험에서도 안정성을 유지했다.
 전압의 크기와 전기 자극 횟수를 바꾸는 실험에서는 정보가 한쪽에 쏠리지 않고 일정한 폭으로 저장되는 특성이 확인됐다.
 연구팀은 개발한 소자로 가로 11개, 세로 11개의 메모리 셀로 이뤄진 크로스바 어레이를 구현했다. 텍스트와 이미지 패턴 기록 및 소거 실험을 수행하자 별도 소자 추가 없이도 각 메모리 셀의 정보가 안정적으로 제어됐다.
 전류를 한 방향으로만 흘려보내는 능력인 정류비가 100만배 이상 높아져 전기가 새는 누설 전류를 효과적으로 차단했다.
 이 교수는 "기존 뉴로모픽 반도체의 주요 난제였던 정보 축적의 비선형성과 누설 전류 문제를 하나의 소자에서 동시에 해결했다"며 "별도의 선택소자 없이도 높은 공정 효율성과 집적도를 구현할 수 있는 새로운 설계 방향을 제시했다"고 설명했다.
 이어 "고효율 뉴로모픽 컴퓨팅 구현은 물론 고성능·초저전력 뉴로모픽 반도체의 상용화를 앞당기는 기반 기술이 될 것으로 기대한다"고 말했다.
 GIST는 개발된 기술의 기술이전 관련 협의는 기술사업화센터(hgmoon@gist.ac.kr)를 통해 진행할 수 있다고 밝혔다. 
 &lt;참고 자료&gt; - doi.org/10.1038/s41467-026-70727-2
 [이병구 기자 2bottle9@donga.com]
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