▲ (왼쪽부터) 서울대 전기정보공학부 곽정훈 교수, 서울대 전기정보공학부 백근우 박사, 김연준 박사과정 학생


서울대학교 공과대학(학장 홍유석) 전기·정보공학부 곽정훈 교수 연구팀이 (백근우 박사, 김연준 박사과정 학생 공동1저자) 서울대학교 이수연 교수, 유선규 교수, 성균관대학교 배완기 교수, 임재훈 교수 연구팀과 공동 연구를 통해, 코어-쉘 구조의 콜로이드 양자점을 이용한 저항변화 메모리 소자의 저항변화 메커니즘을 제시했다고 5월 1일 밝혔다.

코어-쉘 구조의 콜로이드 양자점은 크기, 모양, 조성에 따라 전기적, 광학적 특성의 조절이 용이하고 우수한 발광특성을 가지는 소재로, QD 디스플레이 제작에 사용되고 있다. 그러나 수 나노미터의 작은 크기 때문에 표면에 존재하는 미량의 결점도 전기적, 광학적 특성에 크게 영향을 미치게 된다. 연구팀은 이러한 양자점의 표면에 존재하는 결점의 제어를 통해 저항을 조절할 수 있음을 확인하였고, 이를 저항변화 메모리 제작에 활용하였다.

연구팀이 개발한 양자점 저항변화 메모리는 저전력 구동과 반복적인 저장과 읽기가 가능한 높은 신뢰성을 나타냈으나, 코어-쉘 구조의 양자점을 이용한 메모리 소자의 동작 메커니즘은 기존에 알려진 바가 없었다. 연구팀은 이를 밝혀내기 위해 소자 및 소재에서 새로운 방법을 제시하였다.

다음으로 이 전자가 저항변화를 일으키기 위해 양자점 내에서 포획되는 결점의 위치와 그 에너지 준위를 알아내기 위하여, 단일 코어 구조와 단일 쉘 구조의 양자점을 각각 적용한 저항변화 메모리를 제작하고, 이들의 전기적, 광학적 특성을 다양한 방법으로 측정하여 실제 소자와 비교하였다. 그 결과, 본 연구팀은 양자점 저항변화 메모리의 스위칭 특성이 양자점의 최외각 표면에 존재하는 트랩 에너지 준위에 의해 나타남을 처음으로 규명하였다.

▲ (좌) 양자점 저항변화 메모리의 구조와 시냅스 구조 비교, (우) 이 소자를 이용한 패턴 훈련 및 추론 모사 결과

연구팀이 개발한 양자점 저항변화 메모리는 시냅스의 복잡한 처리 및 기억 형성을 위해 요구되는 우수한 선형 자극 특성을 보였으며, 이를 이용하여 모사한 신경망은 EMNIST (Extended Modified National Institute of Standards and Technology) 데이터셋 학습을 통해 S, N, U 라는 알파벳 추론 시 91.46%의 높은 인식률을 달성했다.

백근우 박사는 “코어-쉘 구조의 양자점을 이용하여 고성능의 저항변화 메모리 개발이 가능함을 보였다”고 밝히며 “스위칭 메커니즘을 밝혀 냄으로써 앞으로 양자점 멤리스터 개발이 더욱 활발해질 것”이라고 하였다.

곽정훈 교수는 “콜로이드 양자점의 연구 분야가 디스플레이뿐만 아니라 인공신경망 등의 차세대 반도체까지 확장되었다는 데 큰 의미가 있다”며, “양자점 저항변화 메모리는 광학적으로도 제어가 가능하여, 광-전기 하이브리드 컴퓨팅을 위한 미래 핵심 기술이 될 것으로 기대한다”고 전하였다.

한편, 이번 연구 결과는 소재, 나노기술 및 과학 분야의 최고 권위 저널 중 하나인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 5월 1일 자로 온라인 게재됐으며, 해당 연구는 한국연구재단의 기초연구실 지원사업으로 수행되었다. (게재 링크: https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.4c01083)