▲ UNIST 연구진이 산화 이황화몰리브덴(MoS₂) 기반 다기능 멤리스터 RF 스위치의 구조와 성능을 개념도로 나타냈다.

국내 연구진이 전력과 공간 제약이 큰 우주통신과 6G 환경에서 고주파 신호 처리와 연산을 동시에 수행할 수 있는 저전력 반도체 소자가 개발, 통신 반도체의 소형화와 에너지 효율을 높여 차세대 위성·이동통신 인프라 경쟁력 강화에 기여할 것으로 기대된다.

UNIST는 전기전자공학과 김명수 교수 연구팀이 산화 2차원 반도체 소재를 기반으로 한 다기능 멤리스터 반도체 소자를 개발했다고 22일 밝혔다.

이번에 개발된 소자는 통신용 고주파 신호의 경로를 제어하는 RF 스위치 기능과 데이터 연산을 수행하는 인메모리 컴퓨팅 기능을 하나의 소자에서 동시에 구현할 수 있는 것이 특징이다.  이에 따라 칩 면적을 줄일 수 있을 뿐 아니라, 신호 변환 과정에서 발생하는 전력 소모와 지연 시간도 크게 줄일 수 있다.

또한 전원이 차단된 상태에서도 저항 상태가 유지되는 비휘발성 특성을 확보해 대기 전력 소모를 원천적으로 줄였다. 이는 태양광 등 제한된 에너지 환경에서 운용되는 위성통신 장비나 6G 기지국 등 차세대 통신 인프라에 적합한 구조로 평가된다.

연구팀은 2차원 반도체 소재인 이황화몰리브덴(MoS₂)을 400℃에서 산화해 소자를 제작했으며, 전압 인가 방향에 따라 저항 상태가 변하는 메커니즘을 구현했다. 이러한 특성은 스위칭 기능뿐 아니라 행렬 연산 기반 인공지능 신호 처리에도 활용될 수 있다.

특히 다수의 소자를 배열한 구조에서는 각 소자의 전도도가 연산 과정에서 가중치 역할을 수행해, 통신 신호 복조 및 다중 입력·출력(MIMO) 처리 등 복잡한 고주파 신호 연산을 하드웨어 수준에서 처리할 수 있다.

실험 결과 스위칭 에너지는 140pJ 수준으로 낮게 나타났으며, 동작 전력도 1mW 이하로 확인됐다. 또한 4만 초 이상 상태 유지가 가능하고 1,000회 이상의 반복 동작에서도 안정성을 확보했다. 고주파 성능은 67GHz까지 검증됐으며, 차단주파수는 33.2THz 수준으로 분석됐다.

연구팀은 시뮬레이션을 통해 1024-QAM 신호 복조와 MIMO 신호 복원 기능도 구현 가능함을 확인했다.

김명수 교수는 “이번 연구는 멤리스터 기반 소자가 RF 스위치와 인메모리 연산을 동시에 수행할 수 있음을 입증한 사례”라며 “위성통신, 레이더, 방산 전파 시스템, 6G RF 프론트엔드의 소형화와 에너지 효율 향상에 기여할 것”이라고 말했다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단, 정보통신기획평가원 등의 지원으로 수행됐으며, 연구 결과는 국제학술지 ‘Advanced Functional Materials’에 게재됐다.