성균관대, ‘1000만 회 반복 사용’ 견디는 차세대 메모리 개발

▲(왼쪽부터)성균관대 에너지과학과 임성주 교수, 김기강 교수, 두옹응옥탄 연구교수, 스와티 크리슈나 박사과정생. (사진=성균관대)

성균관대학교 연구진이 원자 한 층 두께의 2차원 신소재를 활용해 초고속·초저전력으로 작동하면서 1000만 회 이상 반복 사용에도 성능을 유지하는 차세대 비휘발성 메모리를 개발했다.

성균관대는 에너지과학과 임성주·김기강 교수 연구팀이 2차원 신소재인 ‘야누스(Janus) 단일층’을 활용해 고속·고내구성을 갖춘 차세대 메모리 플랫폼을 개발했다고 1일 밝혔다. 임 교수 연구팀의 두옹 응옥 탄 연구교수와 김 교수 연구팀의 스와티 크리슈나 박사과정생이 핵심 연구원으로 참여했다.

인공지능(AI)과 빅데이터 기술이 발전하면서 연산장치와 메모리 사이의 데이터 이동에 따른 병목현상과 전력 소모를 줄이는 것이 반도체 분야의 주요 과제로 떠오르고 있다. 이에 연산과 기억을 한곳에서 처리하는 ‘인메모리(In-memory) 반도체’가 대안으로 주목받고 있지만 기존 비휘발성 메모리 소재는 반복적인 사용 과정에서 손상되거나 저장 성능이 저하되는 한계가 있었다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 두께 약 0.4나노미터(㎚)의 ‘MoSeS’ 소재를 합성했다. 원자 한 층에서 윗면에는 셀레늄(Se), 아랫면에는 황(S) 원자가 비대칭으로 배열된 구조다. 반도체 특성과 전하를 저장할 수 있는 성질을 동시에 갖춰 미세한 전압 신호만으로 전하의 방향을 빠르게 바꿀 수 있다는 게 연구팀의 설명이다.

실험 결과 개발된 메모리 소자는 16.5나노초(㎱)의 짧은 전기 신호에도 반응해 정보를 읽고 쓰는 스위칭 성능을 보였다. 1회 작동에 필요한 에너지도 펨토줄(fJ) 단위 수준으로 낮췄다.

특히 데이터를 1000만 회 이상 지우고 다시 쓰는 반복 실험에서도 성능이 유지됐다. 연구팀은 원자 수준의 얇은 소재를 이용하면서 기존 메모리의 내구성과 전력 소모 문제를 동시에 개선했다는 데 의미가 있다고 설명했다.

임성주·김기강 교수는 “이번 연구는 두께가 원자 수준에 불과한 단일층 나노소재를 이용해 기존 메모리 소자가 안고 있던 내구성 저하와 전력 소모 문제를 동시에 극복할 수 있음을 입증한 결과”라며 “사람의 뇌 신경망을 닮은 뉴로모픽 컴퓨터와 고효율 인공지능 하드웨어를 현실화하는 중요한 원천 기술이 될 것”이라고 말했다.

이번 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재됐다.