▲ (왼쪽부터) 김태근 교수(교신저자), Atul C. Khot 박사과정(제1저자)

고려대학교 공과대학(학장 이해근) 전기전자공학부 김태근 교수 연구팀이 ‘이차원의 티타늄카바이드(Ti3CC2Tx)맥신(MXene)에서 유도된 3차원 이산화티타늄(TiO2) 나노플라워 구조’를 시냅스 소자에 적용하여 전기 및 이온 수송 특성을 향상시키는 핵심 기술을 개발했다. 또한 높은 집적도와 빠른 스위칭 속도가 탑재된 시냅스 소자를 개발하여 상보적 금속산화막 반도체(CMOS)호환성과 소자의 안정성을 향상시켰다.

차세대 비휘발성 메모리 소자의 수요 증가와 함께 빅데이터 정보처리를 위한 낮은 소비 전력의 인공 시냅스 소자가 요구되고 있으며, 이러한 요구를 만족시키기 위해 다양한 형태의 저차원 나노물질 및 소자 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나, 이러한 물질 기반의 시냅스 소자는 크기가 줄어들면 충분한 양의 전자를 유지하기 어려워 신뢰성이 저하되는 문제점을 갖는다.

▲ AI/Ti3C2Tx-TiO2 NFs/Pt 기반 멤리스터 소자 구조 (왼쪽) 및 100회 이상의 연속 스위칭 주기를 갖는 소자의 전류-전압 특성 (오른쪽)

▲ 생물학적 시냅스 접합 개략도 (왼쪽) 및 생물학적 시냅스 특성의 비휘발성 기억 기능을 모방한 시냅스 소자의 특성 (오른쪽)

김 교수 연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해 3차원의 TiO2 나노플라워(NF) 구조를 합성하여 시냅스 소자의 활성층으로 사용함으로써 구동 전압을 크게 낮추고 소자의 안정성을 높이는 데 성공했다. 특히, 상부 전극으로 사용한 알루미늄(AI)은 공기 중에서 쉽게 산화되어 매우 얇은 AlOx 층을 형성하여, 활성층에 더 많은 결함을 공급하여 강한 전도성 필라멘트를 형성하게 되는데, 이에 따라 전극과 활성층 사이의 계면 저항이 낮아져 소자 내의 전하 이동이 활발해지면서 구동 전압이 떨어지게 된다.

이와 같은 시냅스 소자는 생물학적 시냅스의 비휘발성 메모리 기능을 모방할 수 있고, 따라서 뇌의 동작 원리와 비슷하게 동작하는 인공지능 컴퓨팅 시스템에서 전기, 화학적 신호를 전송하는 데도 유용하다.

밀도범함수이론 (DFT) 계산에 의하면, 3차원의 TiO2 나노플라워 물질은 유전 상수 (6.18), 굴절률(2.49), 흡수 계수 (6.36×103cm-1), 그리고 2.11 eV의 밴드 갭을 가지며, 이 물질이 갖는 높은 비표면적, 상호 연결된 다공성 구조, 그리고 구조적인 안정성은 산업용 고성능 저항 메모리 응용에 적합하다.

이번 연구에서는 이온교환과 하소 공정에 의해 불산(HF)으로 식각 된 Ti3C2Tx 맥신을 동시에 산화, 알칼리화하는 방식으로 저비용, 고성능의 멤리스터 및 시냅스 소자를 구현이 가능함을 보였다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단(NRF)이 추진하는 리더(창의)연구사업 지원과 삼성전자-고려대학교 연구센터의 지원으로 수행되었으며, 본 연구 성과는 그 중요성을 인정받아 해당 분야 국제 저명 학술지인 Journal of Materials Science&Technology[IF: 10,319, 인용 순위(JCR, Journal Citation Reports): 상위 1.9%]에 2월 온라인 게재됐다. /공과대학신문