[대전=뉴스프리존] 이기종 기자= 한국연구재단(NRF)은 서울대학교 재료공학부 장호원 교수팀이 성균관대학교, 포항공과대학교 연구팀과 공동으로 차세대 반도체 소재로 각광받는 2차원 할라이드 페로브스카이트의 수분 불안정성과 저신뢰성의 문제를 동시에 해결하고 이 소재를 적용한 뇌처럼 작동하는 뉴로모픽 소자를 개발했다고 22일 밝혔다.

할라이드 페로브스카이트는 태양전지 소재로 많은 관심을 받아왔고 최근에는 이미지 센서, 차세대 메모리 소재, 및 시냅스 소자로도 많은 주목을 받고 있다.

특히 뉴로모픽 소자에서 반드시 필요한 저전력 구동, 빠른 동작 속도, 그리고 아날로그 형태의 비휘발성 다단계 저항 저장에 있어서 큰 이점이 된다.

뉴로모픽 소자는 기존 디지털 트랜지스터와 달리 시냅스의 작동방식을 모사하고 입력 신호의 이력에 따라 저항상태가 변화하여 저장되는 비휘발성 다차원 스위칭 소자이다.

하지만 기존까지의 페로브스카이트 소재는 다결정질의 박막구조로 인해 전하 이동 조절이 용이하지 않은 점과 대기 중 수분에 취약한 한계점으로 인해 상업화에 어려움이 있었다.

이번 연구팀은 이러한 제한점을 해결하기 위해 기존 3차원 구조의 페로브스카이트에 큰 유기 양이온과 유사 할로겐화물 음이온을 첨가하여 정밀조성 제어를 통해 2차원 페로브스카이트 결정 박막을 전극에 수직 방향으로만 성장시키는 공정 기술을 개발했다.

연구과정을 보면 이온 이동을 원활히 제어하고자 기존 3차원 결정 구조 대신 2차원 결정 구조를 전극에 수직 방향으로 성장시키는 방식을 선택했다.

이를 통해 기존 보고된 소자들에 비해 선형성, 대칭성 및 신뢰성이 월등히 향상된 결과를 얻었다.

이후 실제 이렇게 제작된 소자를 기반으로 작동되는 회로에서 인공지능 알고리즘이 얼마나 잘 작동하는지를 평가했다.

이 과정에서 손글씨로 써진 숫자를 96.5%의 정확도로 인식하는 한편, 의류의 종류를 86.5%로 정확히 인식했다.

이는 이론적 한계값의 1% 내외 오차범위로 높은 수준의 인식률을 보였다.

이 연구결과에 의하면 할라이드 페로브스카이트 멤리스터 상용화의 가장 큰 장벽으로 여겨지던 수분 불안정성과 저신뢰성의 한계를 극복한 것으로써 대기 중에서 수개월 동안 작동이 가능함을 검증했다.

이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노소재기술개발사업과 미래소재디스커버리사업 등의 지원으로 수행됐고 재료과학 분야 국제학술지 머티리얼스 투데이(Materials Today)에 11월 23일 게재됐다.