DGIST 이명재 박사 연구팀, 인공지능 시대 앞당길 초절전형 반도체 논리소자 개발

국내 연구진이 방대한 양의 빅데이터 처리나 인간의 두뇌를 모방한 뉴로모픽 칩과 같은 인공지능(AI) 개발을 위한 차세대 지능형반도체 소자기술 개발에 성공했다.

DGIST(총장 국양)는 나노융합연구부 이명재 박사 연구팀이 2차원 반도체 소재인 이황화텅스텐(WS2)과 육방정 질화붕소(hBN)를 이용해 3진법 적용이 가능한 2차원 소재 기반의 다치(多値)논리소자를 개발했다고 12일 밝혔다.

현재 대부분의 컴퓨터는 ‘0’과 ‘1’을 사용하는 2진법 기반으로,. 반도체나 집적회로(IC) 같은 컴퓨터산업도 2진법을 기반으로 발전해왔다.

하지만 현재에는 빅데이터 처리나 복잡한 연산을 요구하기 때문에 전력 소모량 측면에서 기술적 한계에 다다르고 있다. 이 때문에 방대한 정보량을 구현하면서 전력도 줄일 수 있는 다치논리소자 연구가 세계적으로 진행 중이다.

3진법 이상의 논리가 구현 가능한 다치논리소자는 정보를 ‘0’, ‘1’, ‘2’ 이상으로 처리할 수 있어, 2개의 숫자만 사용했던 기존의 2진법보다 처리해야 할 정보의 양이 줄어들어 소비전력이 적고 계산 속도가 빠르다. 이에 따라 대용량의 정보처리가 가능하면서 반도체 집적회로를 더 작게 만들 수 있는 장점이 있다.

이에 DGIST 이명재 박사 연구팀은 2차원 반도체 소재인 이황화텅스텐과 육방정 질화붕소를 결합해 ‘0’, ‘1’, ‘2’인 3개의 논리상태 구현이 가능한 2차원 소재를 개발했다.

연구팀은 두 개의 2차원 반도체 소재를 수직으로 층층이 쌓아올림으로써 육방정 질화붕소 층이 인접하는 이황화 텅스텐 층 간의 전자 상호작용을 크게 줄이는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 이것이 2차원 반도체 소재 내의 밴드갭(band gap)을 제어하는 메커니즘임을 규명했다.

이를 통해 특정 전압 구간에서 전류량이 감소하는 부성미분저항 특성을 가진 다치논리소자를 새롭게 개발했다.

이명재 박사는 “이번에 개발한 새로운 개념의 다치논리소자는 향후 대용량 정보 처리가 필요한 인공지능 소프트웨어를 지원하는 초절전형 소자·회로 기술의 기반이 될 것”이라며 “향후 두뇌 모방형 반도체와 같은 차세대 지능형반도체 소자 기술의 적용이 기대된다"고 밝혔다. 

한편 이번 연구는 DGIST 신물질과학전공 김영욱 교수 연구팀과 공동으로 진행됐다. 나노과학 분야의 국제학술지인 ‘ACS Nano’에 11월 3일자 온라인 게재됐다. 아울러 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 ‘미래반도체 신소자원천기술개발사업’으로 수행됐다.