김덕기 연구실은 저항변화메모리(RRAM)와 멤리스터를 차세대 비휘발성 메모리이자 인공지능 하드웨어의 핵심 소자로 보고, 저전력·고집적·고신뢰성 동작을 구현할 수 있는 소자 구조와 재료를 집중적으로 연구하고 있다. 특히 NbOx, ZrO2, Cu 산화물, 유·무기 하이브리드층, Fe3O4/WS2 및 Fe2O3/WS2 계열 나노복합체와 같은 기능성 재료를 활용해 멀티레벨 저장, 낮은 구동전압, 높은 내구성, 우수한 재현성을 동시에 확보하는 방향으로 연구를 전개한다. 관련 특허와 논문에서 보이듯이 계면 산화층 제어, 산소 이온 및 금속 필라멘트 거동 제어, 전극/활성층 설계를 통해 스위칭 특성을 정밀하게 조절하는 데 강점을 보인다. 이 연구실의 접근은 단순히 메모리 셀을 만드는 데 그치지 않고, 생물학적 시냅스의 가중치 변화와 가소성을 모사하는 뉴로모픽 기능 구현으로 확장된다. 최근 발표된 Nano Energy 및 Advanced Science 논문에서는 하이브리드 나노복합 멤리스터를 이용해 초저전력 동작, 10^5 수준의 내구성, 멀티비트 저장, 그리고 이미지 인식 정확도 향상까지 실증하였다. 이러한 결과는 멤리스터가 기존 폰노이만 구조의 병목을 줄이고, 인메모리 컴퓨팅이나 뉴로모픽 프로세서에서 실제 연산 소자로 활용될 가능성을 보여준다. 또한 연구실은 지능형 반도체(NPU)용 뉴로모픽 소자의 특성 평가와 신뢰성 표준화 연구에도 참여하며, 소자 개발과 평가 체계를 함께 구축하고 있다. 장기적으로 이 연구는 차세대 AI 반도체, 엣지 컴퓨팅, 초저전력 센서 노드, 웨어러블 전자소자에 직접 연결될 수 있다. 멤리스터의 핵심은 재료 내부 결함과 계면 현상을 얼마나 정밀하게 제어하느냐에 달려 있는데, 연구실은 재료공학·전자공학·소자물리의 융합 역량을 바탕으로 이 문제를 해결하고 있다. 따라서 본 연구 주제는 미래형 컴퓨팅 아키텍처를 위한 핵심 메모리 및 연산 소자 기술로서 학술적 가치와 산업적 파급력이 모두 큰 분야라고 할 수 있다.

김덕기 연구실은 기존 CMOS 한계를 보완하거나 넘어설 수 있는 차세대 반도체 소자와 초절전 스위칭 메커니즘 연구를 수행하고 있다. 대표적으로 급격한 스위칭 특성을 활용한 저서브스레시홀드 스윙 트랜지스터, 원자 스위치, 안티퓨즈·이퓨즈, 온칩 ROM 등 다양한 반도체 소자 구조를 다뤄 왔으며, 산업체 경험과 학계 연구를 연계해 실용성이 높은 방향으로 기술을 발전시키고 있다. IBM과 삼성전자/삼성종합기술원에서의 경력을 바탕으로 로직, eDRAM, 퓨즈 소자, 공정 신뢰성 등 반도체 제조 관점의 이해가 깊다는 점도 연구실의 중요한 특징이다. 이 연구의 핵심은 전기적 스위칭 현상을 유도하는 재료와 계면을 정밀하게 제어해 더 낮은 전압, 더 적은 누설전류, 더 우수한 안정성을 구현하는 것이다. 연구 프로젝트 중 하나인 산소공공 방지막을 갖는 이중층 고체전해질 기반 원자스위치 연구는 산소 공공과 금속 이온 이동이 누설전류와 스위칭 특성에 미치는 영향을 열역학적으로 해석하고, 이를 차단하거나 유도하는 구조를 제안한다. 또한 트랜지스터 분야에서는 abrupt switching device와 메모리 소자를 결합해 낮은 subthreshold swing을 달성하는 등, 저전력 논리소자 구현 가능성을 적극 탐색하고 있다. 이러한 연구는 고성능과 저전력을 동시에 요구하는 모바일, 엣지 AI, 웨어러블, 센서 인터페이스 회로에 매우 중요하다. 반도체 미세화가 한계에 가까워질수록 새로운 물리 기반 스위칭 원리와 소자 구조가 필요하며, 연구실은 메모리와 로직의 경계를 넘나드는 융합형 소자 연구를 통해 이를 해결하고자 한다. 결과적으로 이 분야의 성과는 차세대 시스템 반도체의 전력 효율 개선, 소자 집적도 향상, 새로운 회로 아키텍처 개발로 이어질 수 있다.

김덕기 연구실은 소자 단위 연구에 더해, 실제 시스템 반도체 구현에 필수적인 패키징과 인터커넥트 신뢰성 기술에도 폭넓게 참여하고 있다. 최근 수행 중인 2.5D 고성능 시스템 반도체용 Si interposer 플랫폼 개발 과제, 미세피치용 저융점 고신뢰성 솔더페이스트 개발 과제, 그리고 각종 국제학회 발표를 보면, 연구실이 첨단 패키징용 재료·공정·확산방지막·수동소자 집적 기술을 중요한 연구 축으로 삼고 있음을 알 수 있다. 이는 단일 소자 성능뿐 아니라 대규모 집적 시스템의 전기적 연결성과 열·기계적 안정성을 동시에 고려하는 방향이다. 세부적으로는 Cu 확산 억제를 위한 WS2 및 MgF2 기반 확산방지막, 불소화 실리카 유리와 Al2O3의 패키징 적용성, 감광성 폴리이미드 공정 안정성, 고신뢰성 저온 솔더 합금 및 나노복합 솔더 재료 등 다양한 주제가 포함된다. 이러한 연구는 미세 배선과 좁은 피치 환경에서 발생하는 금속 확산, 계면 열화, 열사이클 신뢰성 저하 문제를 해결하기 위한 것이다. 특히 AI 및 HPC용 고대역폭 패키징에서는 인터포저 구조, 내장 수동소자, 이종집적 공정이 핵심이므로, 재료 선택과 공정 호환성에 대한 정밀한 검증이 매우 중요하다. 이 연구 주제는 차세대 반도체의 성능을 실제 제품 수준으로 끌어올리는 데 직접적인 영향을 준다. 소자가 아무리 우수해도 패키징과 배선 신뢰성이 부족하면 시스템 성능과 수명이 제한되기 때문에, 인터커넥트와 패키징은 반도체 경쟁력의 핵심 요소가 되었다. 김덕기 연구실은 소자, 재료, 공정, 패키징을 유기적으로 연결하는 연구를 통해 고성능 시스템 반도체와 첨단 후공정 기술 발전에 기여하고 있다.