3진법 이해하는 초절전형 반도체 소자․회로 개발- 착용형 스마트기기, 지능형 로봇, 슈퍼 컴퓨터 적용 기대

3진법 이해하는 초절전형 반도체 소자․회로 개발- 착용형 스마트기기, 지능형 로봇, 슈퍼 컴퓨터 적용 기대

 

등록일 2016-11-25

 

 3진법 이해하는 초절전형 반도체 소자․회로 개발
- 착용형 스마트기기, 지능형 로봇, 슈퍼 컴퓨터 적용 기대 -

□ 미래창조과학부(장관 최양희)는 ‘0’과 ‘1’을 사용하는 기존 2진법 기반 컴퓨터가 전력 소모량 측면에서 기술적 한계에 다다른 현 시점에서 3개의 논리 상태인 ‘0’, ‘1’, ‘2’를 사용하여 대용량 정보처리가 필요한 프로그램의 원활한 수행을 지원할 수 있는 차세대 초절전 반도체 소자․회로 기술을 개발했다고 밝혔다. 

 o 3진법*과 부성미분저항** 특성에 기반한 이 기술은 미래 초절전 반도체 소자/회로 개발 시 필수적인 원천기술이다. 3진법을 이해하는 컴퓨터는 2진법 컴퓨터의 60%에 해당하는 소자만으로도 동일한 기능을 수행할 수 있어 반도체칩의 소형화, 저전력화, 고속화가 가능하다.
*3진법 : 0에서 9까지의 숫자는 사용하는 10진법 시스템과 다르게 ‘0, 1, 2’ 3가지 숫자만을 이용해 모든 수를 표시하는 수 시스템을 의미함.
**부성미분저항 : 통상적인 경우와 반대로 인가된 전압의 크기가 증가함에도 불구하고 전류는 오히려 감소하는 특이한 현상을 말함. 이러한 부성미분저항 특성은 일반적으로 에사키 다이오드 및 공명 터널링 다이오드 등에서 관찰되는 것으로 알려져 있음.

□ 박진홍 교수 연구팀(성균관대) 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구)의 지원으로 연구를 수행했으며, 이 연구결과는 권위 있는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communication) 11월 7자에 게재되었다.

 o 논문명과 저자 정보는 다음과 같다.
   - 논문명 : Phosphorene/Rhenium Disulfide Heterojunction-based Negative Differential Resistance Device for Multi-Valued Logic
   - 저자 정보 :  박진홍 (교신저자, 성균관대 교수), 심재우 (제1저자, 성균관대 석박통합과정), 강동호 (공동저자, 성균관대 석박통합과정), 조서현 (공동저자, 성균관대 석박통합과정), Muhammad Hasnain Ali (공동저자, 성균관대 석박통합과정), 최우영 (공동저자, 성균관대 석사과정), 허근 (공동저자, SK 하이닉스 연구원), 전재호 (공동저자, 성균관대 석박통합과정), 이성주 (공동저자, 성균관대 교수), 김민우 (공동저자, 성균관대 박사과정), 송영재 (공동저자, 성균관대 교수)

□ 논문의 주요 내용은 다음과 같다. 

1. 연구의 필요성
   ○ ‘0’과 ‘1’을 사용하는 기존 2진법 기반 컴퓨터는 대용량 정보처리를 위해 수많은 소자와 배선이 집적되어야 하며, 이로 인해 전력소모와 발열량이 굉장히 크다. 따라서 회로를 구동하는데 소모되는 전력을 줄이고 대용량의 정보처리를 위해 다치논리회로*와 관련된 연구가 최근 활발히 진행되고 있다.
*다치논리회로 : ‘0’과 ‘1’을 사용하는 기존 2진법 체계를 넘어서서 ‘0’, ‘1’, ‘2’와 같이 3개 이상의 논리상태의 표현이 가능한 회로를 의미함. 
   ○ 3진법을 이해하는 컴퓨터를 구현하는 다치논리 컴퓨터 기술은 2진법 컴퓨터의 60%에 해당하는 소자들만으로 동일한 기능을 수행할 수 있기 때문에 칩의 소형화, 저전력화, 고속화 측면에서 유리하다.
   ○ 그러나 다치논리회로와 관련된 대부분의 기존 연구들은 예전 2진법 소자들을 그대로 사용하고 있어 높은 소비전력의 문제를 해결하기 어렵기 때문에 다치논리소자의 개발이 필요한 실정이다.

2. 연구 내용
   ○ 2차원 반도체*는 불완전 결합과 같은 표면 결함을 거의 갖고 있지 않기 때문에 별도의 복잡한 공정을 사용하지 않고 2차원 반도체인 흑린(black phosphorus)과 이황화레늄(ReS2)을 간단히 수직으로 쌓아 부성미분저항 특성을 보이는 전자소자를 새롭게 제작하였다.
*2차원 반도체 : 원자 두께 크기만큼 얇은 2차원 나노판상 구조를 갖는 물질임. 특히 유연하고, 탄력이 좋으며 튼튼해 차세대 전자소자, 광소자 등에서 활용도가 매우 높음.
   ○ 부성미분저항 특성소자에서는 전압의 크기가 증가함에도 불구하고 전류가 감소하기 때문에 전압-전류 특성곡선이 ‘N’ 모양처럼 나타나게 되어 마치 여러 개의 문턱전압*을 갖는 다이오드 특성을 보인다.
*문턱전압 : 다이오드 소자를 켜는데 필요로 되는 전압을 말함.
   ○ 따라서 논리회로를 구현할 때 부성미분저항 특성소자를 이용하면 여러 개의 논리 상태를 표현할 수 있다. 이를 활용해 연구팀은 2차원 물질 기반 부성미분저항 특성 소자와 p형 트랜지스터 2개의 소자로 3개의 논리상태(‘0’, ‘1’, ‘2’)를 갖는 3진 인버터* 회로를 구현하는데 성공하였다. 참고로 기존 2진 인버터 회로는 2개의 소자를 이용하여 2개의 논리상태(‘0’, ‘1’)를 표현한다.
*인버터 : 로직상태 '1'을 '0'으로 혹은 '0'을 '1'로 바꾸어 주는 최소 단위 로직회로를 말함.
   ○ 또한 연구팀은 다양한 물리적 메커니즘(터널링, 확산 메커니즘 등)들을 고려해 부성미분저항 특성소자*의 전류 분석 모델을 개발하고 이를 활용하여 부성미분저항 특성소자의 전기적 특성을 자세하게 분석하였다. 특히 열에너지가 소자 동작에 미치는 영향을 최소화하기 위해 상온(27도)뿐만 아니라 저온(영하 90도)에서도 측정/분석을 수행하였다. 
     *부성미분저항 특성소자 : 통상적인 경우와 반대로 인가된 전압의 크기가 증가함에도 불구하고 전류가 감소하는 특성을 보이는 소자를 말함. 
   ○ 제작된 2차원 반도체 기반의 부성미분저항 특성소자는 상온(27도)에서 약 4.2 이상의 높은 피크-밸리 전류비*를 보였으며, 개발된 전류 분석 모델을 활용하여 저온(영하 90도)에서 약 6.9 이상의 매우 높은 피크-밸리 전류비를 보이는 원인을 밝혀냈다. 이는 다양한 물리적 메커니즘(전자의 터널링, 확산)들이 온도에 따라 부성미분저항 특성소자의 동작에 어떻게 영향을 미치는지 밝혀낸 결과이며, 부성미분저항 특성소자 기반 응용연구의 기틀을 마련한 것이라고 볼 수 있다.
     *피크-밸리 전류비 : 부성미분저항 특성 소자는 전압의 크기가 증가함에도 불구하고 전류가 감소하는 특성을 보이기 때문에 전압-전류 특성곡선이 마치 ‘N’ 모양처럼 나타남. 여기에서 피크-밸리 전류비는 가장 높은 전류와 가장 낮은 전류의 비율을 의미함.
 
3. 연구 성과
   ○ 2차원 반도체 기반의 부성미분저항 특성소자 및 3진 인버터 회로 구현과 관련된 연구결과는 기존 소자/회로의 소비전력과 성능을 한 단계 더 향상시키는 데 적극 활용되어 착용형 스마트기기 및 지능형 로봇, 슈퍼 컴퓨터 등의 다양한 분야 발전에 기여할 것으로 기대된다.
   ○ 특히 알파고(구글 딥마인드가 개발한 인공지능(AI) 바둑 소프트웨어)와 같은 빅데이터 정보처리가 필요한 프로그램을 위한 미래 초절전 소자/회로(하드웨어) 연구의 초석이 될 것으로 기대된다.

□ 박진홍 교수는 “이번 연구성과는 소비전력과 성능을 한 단계 더 향상 시킬 수 있는 새로운 패러다임의 3진법 소자/회로를 개발한 것이다. 가령 십진수 128을 표현하기 위해 기존에는 8비트 필요했지만 이제는 5비트만 있으면 된다. 그만큼 반도체 소자/회로가 빨라지고 소형화될 수 있는 가능성을 열었다. 향후 알파고와 같은 빅데이터 정보처리가 필요한 프로그램을 지원하는 초절전형 소자/회로의 초석이 될 것으로 기대된다.“라고 연구의 의의를 설명했다.

<참고자료>  1. 연구결과 개요
             2. 연구이야기
             3. 용어설명 
             4. 그림설명 

연 구 결 과  개 요

 1. 연구배경
  ㅇ 사물인터넷(IoT)* 기반 초연결사회의 도래로 인해 2030년에는 1조개 이상의 사물이 서로 연결될 것으로 예상되고 이들로부터 발생되는 정보처리 수요는 폭증할 것으로 예측된다.
  *사물인터넷 : 각종 사물에 센서와 통신 기능을 내장하여 인터넷에 연결하는 기술을 의미함.
  ㅇ 최근 반도체 소자의 미세화 기술로 꾸준한 성능 향상과 소모 전력의 감소를 이끌었으나, 이러한 추세의 기술개발로는 미래에 폭증할 정보 처리량과 에너지를 감당할 수 없기 때문에 새로운 소자 및 아키텍쳐 기술이 필요한 상황이다.
  ㅇ 최근 회로 구동 시 소모되는 전력을 줄이고 대용량의 정보처리를 위해 다치논리회로와 관련된 연구가 활발히 진행되고 있다.
  ㅇ 절대적인 컴퓨터 작동원리로 여겨져 왔던 0과 1의 2진법 체계를 벗어나, 3진법을 이해하는 컴퓨터를 구현하는 다치논리 컴퓨터 기술은 2진법 컴퓨터의 60%에 해당하는 소자들만으로 동일한 기능을 수행할 수 있기 때문에 칩의 소형화, 저전력화, 고속화 측면에서 유리하다는 장점이 있다.
  ㅇ 그러나 다치논리회로*와 관련된 대부분의 기존 연구들은 예전 2진법 소자들을 그대로 사용하고 있기 때문에, 실질적으로 기생 커패시턴스에 의한 높은 소비전력의 문제를 해결하기 위해서는 다치논리소자의 개발이 필요한 실정이다.
  *다치논리회로 : ‘0’과 ‘1’을 사용하는 기존 2진법 체계를 넘어서서 ‘0’, ‘1’, ‘2’와 같이 3개 이상의 논리상태의 표현이 가능한 회로를 의미함.
 
 2. 연구내용
  ㅇ 이 연구에서는 2차원 반도체인 흑린과 이황화레늄을 수직으로 쌓아 부성미분저항 특성을 보이는 전자소자를 새롭게 제작하고, 이 소자를 이용하여 3개의 논리상태(‘0’,‘1’,‘2’)를 갖는 3진 인버터 회로를 구현하였다.
  ㅇ 흑린과 이황화레늄의 이종접합 구조 특성은 라만분광법(Raman spectroscopy)과 켈빈프로브현미경(Kelvin probe force microscopy)을 이용하여 분석하였다.
  ㅇ 특히 제작된 2차원 반도체 기반의 부성미분저항 특성소자는 상온에서 약 4.2 이상의 높은 피크-밸리 전류비를 보였다.
  ㅇ 또한 연구팀은 부성미분저항 특성소자의 전류를 정확하게 분석할 수 있는 이론적 모델을 개발하고 이를 이용하여 부성미분저항 특성소자의 동작 메커니즘을 상온과 저온에서 자세하게 분석하였다.
  ㅇ 초절전형 전자소자로의 응용 가능성을 확인하기 위해, 흑린과 이황화레늄의 이종접합구조 기반 부성미분저항 특성소자와 내재되어 있는 흑린 기반의 트랜지스터를 집적하여 2개의 소자로 3개의 논리상태를 갖는 3진 인버터 회로를 구현하였다. 참고로 기존 인버터 회로는 2개의 논리상태를 표현할 수 있으며 2개의 소자로 구성되어 있다.

3. 기대효과
  ㅇ 2차원 반도체 기반의 부성미분저항 특성소자 및 3진 인버터 회로 구현과 관련된 연구결과들은 미래 소자/회로의 소비전력과 성능을 한 단계 더 향상시키는 데 적극 활용될 것으로 기대되며, 더 나아가 미래 초절전 대용량 정보처리 소자/회로 연구의 초석이 될 것으로 기대된다.

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

다치논리회로와 관련된 대부분의 기존 연구들은 예전 2진법 소자들을 그대로 사용하고 있기 때문에 실질적으로 기생 커패시턴스에 의한 높은 소비전력의 문제를 해결하기 위해서는 다치논리소자의 개발이 필요한 실정이다. 또한 기존의 실리콘, 저마늄과 같은 물질을 활용하는 부성미분저항 특성소자들은 결정구조의 상이함 때문에 결함 문제가 발생하거나 공정이 복잡해지는 등 소자 설계 및 구현이 쉽지 않았다. 따라서 연구팀에서는 간단한 적층 공정을 활용하여 다치논리 반도체 소자/회로를 구현하는 연구를 시작하였다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

2차원 반도체인 흑린과 이황화레늄을 수직으로 쌓아 부성미분저항 특성을 보이는 전자소자를 새롭게 제작하고, 연구팀이 개발한 부성미분저항 특성소자 전류분석 모델을 이용하여 부성미분저항 특성소자의 동작 메커니즘을 상온과 저온에서 자세하게 분석하였다. 또한 초절전형 전자소자의 응용 가능성을 확인하기 위해 흑린과 이황화레늄의 이종접합구조 기반 부성미분저항 특성소자와 내재되어 있는 흑린 기반의 트랜지스터를 집적하여 3개의 논리상태를 갖는 3진 인버터 회로를 구현하였다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

부성미분저항 특성소자 전류분석 모델을 개발하는 과정에서 이황화레늄 연구와 관련된 문헌이 적어서 물질의 물리적 특성치를 확보하는데 어려움이 있었다. 켈빈프로브 현미경을 이용한 분석과 다양한 온도에서 측정한 전기적 데이터 등이 부성미분저항 특성소자의 전류 분석 모델을 개발하는데 많은 도움이 되었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

별도의 복잡한 공정과정 없이 2차원 반도체들을 수직으로 쌓는 것만으로 쉽게 3진법 반도체 소자/회로가 구현될 수 있음을 연구팀이 개발한 부성미분저항 특성소자의 전류 분석 모델과 다양한 실험적 측정/분석을 통해 입증하였다. 특히 연구팀은 흑린과 이황화레늄의 이종접합구조 기반 부성미분저항 특성소자와 내재되어 있는 흑린 기반의 트랜지스터를 집적하여 2개의 소자로 3개의 논리상태를 갖는 3진 인버터 회로를 구현하였다. 이 연구결과는 미래 소자/회로의 소비전력과 성능을 한 단계 더 향상시키는 데 적극 활용될 것으로 기대되며, 더 나아가 미래 초절전 대용량 정보처리 소자/회로 연구의 초석이 될 것으로 기대된다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은?

이번 연구에서 습득한 다치논리소자와 관련된 지식을 대면적 2차원 반도체 성장 기술과 접목시켜서 기능성을 더 부여한 2차원 다치논리 회로를 구현하는 것을 다음 목표로 하고 있다.

용 어 설 명

1. Nature Communications지
  ○ 과학, 기술 분야에서 최고의 권위를 인정받고 있는 국제학술지(IF : 11.329)이다. 세계 최고 과학 잡지인 네이쳐(Nature) 지의 자매지이며, 전 세계 복합 자연과학 분야(Multidisciplinary sciences) 학술지 중 상위 5.36% 이내에 든다.

2. 사물인터넷(Internet of Things, IoT)
  ○ 각종 사물에 센서와 통신 기능을 내장하여 인터넷에 연결하는 기술을 의미한다. IoT의 주요 구성 요소인 사물은 유무선 네트워크에서의 end-device 뿐만 아니라, 인간, 차량, 교량, 각종 전자장비, 문화재, 자연환경을 구성하는 물리적 사물 등이 포함된다.

3. 2차원 반도체
  ○ 원자 두께 크기만큼 얇은 2차원 나노판상 구조를 갖는 물질이다. 유연하고, 탄력이 좋으며 튼튼해 차세대 전자소자 및 광소자 등에 활용도가 매우 높은 것으로 알려져 있다.

4. 인버터
  ○ 논리값을 반전시키는 기능을 수행하는 가장 기본적인 논리게이트이다. 예를 들어, 2진법 인버터의 경우 논리값 ‘0’ 입력에 대해 논리값 ‘1’을 출력하고, 반대로 논리값 ‘1’ 입력에 대해 논리값 ‘0’을 출력함으로써, 입력 논리값을 반전시켜 출력하는 기능을 가진다.

5. 부성미분저항
  ○ 통상적인 경우와 반대로 인가된 전압의 크기가 증가함에도 불구하고 전류는 오히려 감소하는 특이한 현상을 말한다. 이러한 부성미분저항 특성은 일반적으로 에사키 다이오드 및 공명 터널링 다이오드 등에서 관찰된다.

그 림 설 명

(그림1) 3진법에 기반하여 동작하는 초절전형 2차원 반도체 소자/회로

이 연구에서 제작된 부성미분저항 특성을 보이는 전자소자(그림 상단)는 별도의 복잡한 공정과정 없이 2차원 반도체인 흑린과 이황화레늄을 수직으로 쌓는 것만으로 쉽게 구현 가능하다. 연구팀은 부성미분저항 특성소자 전류분석모델을 개발/활용하여 2차원 부성미분저항 특성소자의 동작 메커니즘을 상온과 저온에서 자세하게 분석하였다. 또한 흑린과 이황화레늄의 이종접합구조 기반 부성미분저항 특성소자와 내재되어 있는 흑린 기반의 트랜지스터를 집적하여 3개의 논리상태(‘0’, ‘1’, ‘2’)를 갖는 3진 인버터 회로를 구현하였다(그림 하단).