본 연구실은 차세대 인공지능 하드웨어 구현을 위한 멤리스터(Memristor) 및 멤트랜지스터(Memtransistor) 소자 개발에 집중하고 있습니다. 멤리스터는 아날로그 메모리 특성을 갖는 수동 저항 소자로, 전이금속 산화물 내 산소공공 또는 알칼리 이온의 이동을 통해 저항 변화를 구현합니다. 멤트랜지스터는 멤리스터의 특성과 트랜지스터의 기능을 결합한 3단자 소자로, 더욱 정교한 신호 제어와 뉴로모픽 시스템 내 시냅스 역할을 수행할 수 있습니다. 연구실에서는 다양한 소재(transition metal oxides, 2D 전자재료 등)를 기반으로 한 멤리스터 및 멤트랜지스터 소자를 개발하고, 크로스바 어레이 구조와 같은 집적 아키텍처에 적용하여 대규모 인공지능 연산에 적합한 하드웨어 플랫폼을 구현하고 있습니다. 특히, 저전력 동작, 높은 신뢰성, 셀 간 간섭 최소화(스니크 커런트 억제), 고선형성 및 대용량 데이터 저장 특성 확보에 중점을 두고 있습니다. 이러한 연구는 기존 디지털 기반 AI 가속기(GPU, NPU 등)의 한계를 극복하고, 에너지 효율적이고 고성능의 아날로그 인메모리 컴퓨팅 하드웨어를 실현하는 데 기여합니다. 실제로 본 연구실의 멤리스터/멤트랜지스터 소자는 이미지 인식, 패턴 인식, 자율주행, 웨어러블 AI 등 다양한 응용 분야에서 높은 인식률과 신뢰성을 입증하고 있습니다.

본 연구실은 고신뢰성, 고성능의 차세대 전자소자 구현을 위해 알칼리 이온(Li, Na 등) 도핑 및 복합 산화물(Perovskite, TiO2, BaTiO3 등) 소재 개발에 주력하고 있습니다. 알칼리 이온 기반 멤리스터는 기존 산소 이온 기반 소자의 낮은 신뢰성 문제를 극복할 수 있는 대안으로, 이온의 확산성 및 조성 제어를 극대화하여 소자의 내구성, retention, endurance 특성을 크게 향상시킵니다. 특히, 원자층 증착(Atomic Layer Deposition, ALD), 광화학 증착(Photochemical Metal-Organic Deposition, PMOD) 등 첨단 박막 증착 공정을 활용하여 균일하고 재현성 높은 박막을 제작하고, 하부전극 설계 및 도핑 공정 제어를 통해 알칼리 이온의 분포와 확산을 정밀하게 조절합니다. 이를 통해 멤리스터, 멤트랜지스터, 저항변화 메모리(ReRAM) 등 다양한 소자에서 높은 신뢰성과 성능을 확보하고 있습니다. 이러한 소재 및 공정 기술은 뉴로모픽 하드웨어뿐만 아니라, 에너지 하베스팅, 광센서, 유연 전자소자, 차세대 메모리 등 다양한 전자 및 정보소자 분야로 확장되고 있습니다. 실제로 본 연구실의 소재 및 소자 기술은 국내외 특허, 논문, 산학협력 프로젝트 등에서 그 우수성을 인정받고 있으며, 미래 반도체 및 인공지능 하드웨어 산업의 핵심 원천기술로 자리매김하고 있습니다.

본 연구실은 전자소자 및 신소재의 근본적 특성 규명을 위해 방사광 가속기(synchrotron radiation) 기반의 첨단 분석기술을 적극적으로 활용하고 있습니다. 방사광을 이용한 X-선 광전자 분광법(XPS), X-선 흡수 분광법(XAS), 스펙트로마이크로스코피, GIWAXS(Grazing-Incidence Wide-Angle X-ray Scattering) 등 다양한 분석법을 통해 소재의 전자구조, 결함, 도핑 상태, 계면 특성 등을 정밀하게 규명합니다. 이러한 분석을 통해 멤리스터, 멤트랜지스터, 복합 산화물 등 다양한 소재의 저항변화 메커니즘, 이온 이동 경로, 산소공공 및 알칼리 이온의 분포, 계면 반응 등 소자 특성에 직접적으로 영향을 미치는 근본적 요인들을 밝혀내고 있습니다. 또한, 실험 결과를 바탕으로 이론적 시뮬레이션(DFT 등)과 연계하여 소재 설계 및 소자 구조 최적화에 반영하고 있습니다. 방사광 가속기 기반 분석기술은 기존 전통적 분석법으로는 파악하기 어려운 나노스케일의 구조적·전자적 특성을 규명할 수 있어, 차세대 전자소자 및 신소재 개발의 핵심 도구로 활용되고 있습니다. 본 연구실은 국내외 방사광 가속기 시설과의 협력을 통해 세계적 수준의 소재 분석 역량을 보유하고 있으며, 이를 바탕으로 혁신적인 소재 및 소자 개발에 앞장서고 있습니다.