UNIST, 우주·6G 통신 칩 전력 줄일 반도체 소자 개발

- 산화 2차원 반도체 소재 기반 다기능 멤리스터 소자 개발

- RF 스위치·인메모리 행렬 연산에 모두 활용

연구진 사진. 좌측부터 김명수 교수, 손주호 연구원. (자료제공: UNIST)

산화 이황화몰리브덴(MoS₂) 기반 다기능 멤리스터 RF 스위치의 구조와 성능. (자료제공: UNIST)

전력과 공간 제약이 큰 우주 위성통신과 6G 통신에서 데이터를 더 적은 전력으로 처리할 수 있는 반도체 소자가 개발됐다.

UNIST(총장 박종래)는 전기전자공학과 김명수 교수팀이 산화 2차원 반도체 소재를 기반으로 한 다기능 멤리스터 반도체 소자를 개발했다고 6월 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 1,000회 이상 반복 동작에서도 안정성을 보였다. 초고속 통신에 쓰이는 고주파 대역의 스위칭 성능은 실험에서 67GHz까지 검증됐다. ON 저항과 OFF 커패시턴스를 기반으로 계산한 차단주파수는 33.2THz에 달했다. 

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

제1저자인 손주호 연구원은 “기존 상용 반도체 고주파 스위치는 지속해서 대기 전력을 소모하고 고주파 대역에서 신호 손실이 발생하는 문제가 있었는데, 이 소자는 이러한 한계를 근본적으로 해결한 기술”이라며 “차세대 상변화 메모리(PCM)나 MEMS와 비교해도 각각 에너지 소모 효율과 초고주파 동작 속도 및 초소형화 측면에서 경쟁력을 갖춘 기술”이라고 말했다.

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 말했다.

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

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]