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수직-반응형 ECRAM 시냅스 반도체 소자(왼쪽)와 3차원 다중 수직-반응형 ECRAM 시냅스 반도체 모식도 및 투과전자현미경(TEM) 단면 사진. 
한국재료연구원(KIMS)은 에너지·환경재료연구본부 김용훈 박사 연구팀이 포스텍 황현상 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 3차원 초고집적 뉴로모픽 시냅스 소자를 구현하는 데 성공했다고 1일 밝혔다.
뉴로모픽 소자는 인간의 뇌를 모사해 전력 소모를 줄이면서 병렬 컴퓨팅 성능을 높여 고효율로 인공지능(AI)을 수행할 수 있는 차세대 반도체 소자를 말한다.
이 기술은 저온에서 합성한 반데르발스 2차원 나노소재인 텅스텐 나이셀레나이드(WS2)를 전하 캐리어 흡수 드레인 전극과 반도체 소자 내 이온 확산을 방지하는 막 역할을 하는 이온 배리어층에 동시 적용함으로써 수직-반응형 전기화학 랜덤 액세스 메모리(ECRAM) 소자를 3차원으로 초고집적화시킨 기술이다.
시냅스 소자 구현을 위해서는 이온 이동을 정밀하게 제어하는 기술이 필요한데 만약 이를 제어하기 어려우면 원하는 저항값을 얻기 힘들다.연구팀은 채널과 이온 전해질층 사이 2차원 나노소재로 만든 배리어층을 통해 이온 이동을 제어했다.
그 결과 선형성과 대칭성,카지노 보안내구성과 같은 고성능의 시냅스 특성을 구현하고 95.22% 수준의 높은 손글씨 패턴 인식 정확도를 달성했다.
기존에는 ECRAM 소자에서 전해질층의 이온 이동 제어를 위한 배리어층을 제작할 때 그래핀과 같은 2차원 소재를 활용했는데 전사 과정이 요구돼 고집적도와 높은 수율의 시냅스 반도체 소자를 구현하기 어려웠다.
연구팀은 이를 개선하고자 200℃ 이하에서 직접 이차원 소재를 성장하는 합성법을 접목해 전사 과정 없이 이온 배리어층을 제작하는 데 성공했다.또 다중 적층 3차원 수직-반응형 ECRAM의 독립적인 가중치 업데이트 특성을 확인해 초고집적도 3차원 기반의 시냅스 어레이 제작에 대한 잠재력 또한 입증했다.
김용훈 박사는 “반데르발스 2차원 반도체 소재에 대한 연구가 10년 이상 이어졌지만 상용화에는 접근하지 못하고 있는 상황”이라며 “이번 연구 결과를 바탕으로 2차원 반도체 소재의 대면적 합성과 전자소자 상용화 및 반도체 공정에 적용하기 위한 연구를 지속해 나가겠다”고 말했다.
