UNIST, 우주·6G 통신용 저전력 2차원 반도체 소자 개발

김명수 교수팀, 다기능 멤리스터 소자

칩면적 소형화, 전력·지연도 낮춰

[울산=뉴시스] 김명수 교수(좌측), 손주호 연구원(사진=UNIST 제공) [email protected] *재판매 및 DB 금지

[울산=뉴시스] 구미현 기자 = 국내 연구진이 전력과 공간 제약이 큰 우주 위성통신과 6G 통신에서 데이터를 더 적은 전력으로 처리할 수 있는 반도체 소자를 개발했다.

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

이 멤리스터 반도체 소자는 통신 고주파 신호의 길을 여닫는 RF 스위치와 연산 소자로 모두 쓸 수 있다. 덕분에 칩 면적을 작게 만들 수 있고, 신호를 다른 회로로 옮기고 변환하는 과정에서 드는 전력과 지연도 낮출 수 있다.

또 한 번 상태를 바꿔 두면 전원을 끊어도 켜짐·꺼짐 상태가 유지돼, 대기 전력 소모가 없다. 태양광 등 제한된 에너지만으로 작동해야 하는 위성 통신 장비나 6G 기지국처럼 전력과 공간 제약이 극심한 시스템에 이 기술이 적합한 이유다.

연구팀은 2차원 반도체 소재인 이황화몰리브덴(MoS2)을 400℃에서 산화시켜 이 같은 소자를 만들었다. 산화 이황화몰리브덴은 전압을 걸었을 때 저항이 낮아져 스위치가 켜지고, 전압을 반대 방향으로 걸면 저항이 높아져 스위치가 꺼지게 된다. 별도로 전압을 걸어주지 않는 한 저항 상태가 유지되기 때문에 대기 전력이 필요 없게 된다.

이 단일 소자를 바둑판처럼 배열한 회로로는 연산을 할 수 있다. 각 소자의 저항(전도도)이 행렬 계산에서 가중치 역할을 할 수 있기 때문이다. 통신에서는 여러 안테나에서 들어온 신호가 서로 섞여 있어서 원하는 신호를 골라내려면 각 신호에 알맞은 비율을 곱해 더하는 행렬 연산이 필요하다. 기존에는 이 계산을 위해 아날로그 고주파 신호를 디지털 신호로 바꾸고, 별도의 프로세서 회로로 데이터를 옮겨 처리해야 했다.

실험에서 이 소자를 한 번 켜거나 끄는 데 드는 스위칭 에너지는 140pJ(피코줄, 10⁻12)로 매우 낮았고, 상태를 바꾸는 동작 전력 역시 1mW(밀리와트) 이하로 측정됐다.

한 번 바뀐 저항 상태는 4만 초 이상 유지되는 비휘발성과 1000회 이상 반복 동작에서도 안정성을 보였다. 초고속 통신에 쓰이는 고주파 대역의 스위칭 성능은 실험에서 67GHz까지 검증됐다.

연구팀은 소자 회로의 연산 성능도 시뮬레이션으로 검증해, 1024-QAM 신호 복조와 MIMO 신호 복원이 이뤄짐을 확인했다.

김명수 교수는 "이번 연구는 산화 2차원 반도체 기반 멤리스터가 고성능 밀리미터파 RF 스위치뿐 아니라 6G 신호처리에 필요한 인메모리 행렬 연산 하드웨어로도 활용될 수 있음을 보여준 사례"라며 "비휘발성·저전력·고주파 특성을 동시에 확보한 만큼, 위성통신, 레이더, 방산용 전파 제어 시스템, 6G RF 프론트엔드의 소형화와 에너지 효율 향상에 기여할 수 있을 것"이라고 설명했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단, 정보통신기획평가원의 우수신진연구, Space-K BIG 프로젝트, 지역지능화혁신인재양성사업의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 세계적 학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)'에 6월 6일 온라인 공개됐다.


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