UNIST develops semiconductor device for low-power processing in space and 6G communications

전력과 공간 제약이 큰 우주 위성 통신과 6G 통신에서 데이터를 더 적은 전력으로 처리할 수 있는 반도체 소자가 나왔다.

울산과학기술원(UNIST)은 전기전자공학과 김명수 교수팀이 산화 2차원 반도체 소재를 기반으로 한 다기능 멤리스터 반도체 소자를 개발했다고 22일 밝혔다.

멤리스터란 메모리(memory)와 저항(resistor)의 합성어다.

이 멤리스터 반도체 소자는 무선 통신 시스템에서 고주파 신호의 전달 경로를 선택적으로 연결하거나 차단하는 RF 스위치와 연산 소자로 모두 사용할 수 있다.

덕분에 칩 면적을 작게 만들 수 있고, 신호를 다른 회로로 옮기고 변환하는 과정에서 드는 전력과 지연도 줄일 수 있다.

또, 한 번 상태를 바꿔 두면 전원을 끊어도 켜짐·꺼짐 상태가 유지돼 대기 전력 소모가 없다.

이 때문에 태양광 등 제한된 에너지만으로 작동해야 하는 위성 통신 장비나 6G 기지국처럼 전력과 공간 제약이 극심한 시스템에 이 기술이 적합하다고 연구팀은 설명했다.

연구팀은 2차원 반도체 소재인 이황화몰리브덴을 400도에서 산화시켜 이 소자를 만들었다.

산화 이황화몰리브덴은 전압을 걸었을 때 저항이 낮아져 스위치가 켜지고, 전압을 반대 방향으로 걸면 저항이 높아져 스위치가 꺼지게 된다. 별도 전압을 걸어주지 않는 한 저항 상태가 유지되기 때문에 대기 전력이 필요 없다.

이 단일 소자를 바둑판처럼 배열한 회로로 연산을 할 수 있다. 각 소자 저항이 행렬 계산에서 가중치 역할을 할 수 있기 때문이다.

실험에서 이 소자를 한 번 켜거나 끄는 데 드는 스위칭 에너지는 140pJ(피코줄)로 매우 낮았고, 상태를 바꾸는 동작 전력 역시 1㎽(밀리와트) 이하로 측정됐다.

한 번 바뀐 저항 상태는 4만초 이상 유지되는 비휘발성을 보였고, 1천회 이상 반복 동작에서도 안정성을 나타냈다. 초고속 통신에 쓰이는 고주파 대역의 스위칭 성능은 실험에서 67㎓(기가헤르츠)까지 검증됐다.

김명수 교수는 "이번 연구는 산화 2차원 반도체 기반 멤리스터가 고성능 밀리미터파 RF 스위치뿐 아니라 6G 신호 처리에 필요한 인메모리 행렬 연산 하드웨어로도 활용될 수 있음을 보여준 사례"라며 "비휘발성, 저전력, 고주파 특성을 동시에 확보한 만큼 위성 통신, 레이더, 방산용 전파 제어 시스템, 6G RF 프론트엔드 기술에 활용할 수 있을 것"이라고 말했다.

연구 결과는 국제 학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼스'(Advanced Functional Materials)에 지난 6일 온라인으로 공개됐다.

연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단, 정보통신기획평가원 지원을 받았다.