이 연구는 차세대 디스플레이 기술의 한계를 극복하기 위해, 기존 TFT/커패시터 기반 구동 방식을 혁신적으로 대체할 수 있는 1T-1M(1 transistor–1 memristor) 구조의 AI 멤리스터 기반 커패시터 프리 초저전력·고집적 디스플레이 기술을 개발하는 것을 목표로 한다. 1단계에서는 멤리스터를 활용한 커패시터 없는 능동형(AM) 디스플레이 구동 기술의 타당성을 검증하고, 알고리즘 기반 멤리스터 학습 환경과 투명 멀티레벨 멤리스터 소자를 개발하였다. 이어 2단계에서는 고안정성의 멀티레벨 특성을 확보한 학습형 멤리스터 소자 기반의 micro-LED 단위 픽셀을 구현하여 초저전력·고집적 구동 특성을 실증하고, TR-MEMT 구조를 접목한 다양한 디스플레이 요소 기술을 통합하였다. 3단계에서는 이 기술을 100 PPI급 32×32 커패시터 프리 어레이로 확장하고, 최종적으로는 500 PPI, 100×100급 고해상도 micro-LED 어레이 구현까지 진척시켜, 고개구율의 투명 디스플레이 기술도 함께 확보하였다. 이 기술은 OLED, micro-LED 등 다양한 디스플레이 플랫폼에 적용 가능한 범용성과 함께 전력 소모를 획기적으로 낮추고 픽셀 집적도를 높일 수 있어, 스마트워치, AR/VR 기기, 투명 디스플레이 등 웨어러블 및 차세대 디스플레이 시장에서 강력한 경쟁력을 제공할 수 있다. 더 나아가, 멤리스터를 활용한 AI 학습 기능이 픽셀에 내장됨으로써 디스플레이가 데이터 저장과 처리를 동시에 수행할 수 있는 MIP(Memory-In-Pixel) 기술이 실현되며, 이는 디스플레이가 AI 연산의 중심이 되는 뉴로모픽 디스플레이 시대로 나아가는 핵심 기술로 작용할 것으로 기대된다. 이러한 초격차 기술의 확보는 향후 디스플레이-반도체-AI 융합 산업을 선도하는 기술 패권을 확보하는 데 결정적인 기여를 할 것이다.
이 연구는 에너지 밴드갭이 큰 유리 기반 투명 박막에 전도성 필라멘트 개념을 적용함으로써, 기존의 indium tin oxide(ITO)에 의존하지 않는 새로운 형태의 indium-free 투명전극을 개발하고, 이를 다양한 고성능 광전소자에 적용하여 디스플레이 및 조명 기술의 한계를 극복하는 것을 최종 목표로 한다. 특히, 투명전극 내의 전도성 필라멘트 형성을 통해 유·무기 반도체와의 직접적인 오믹 접촉을 가능케 하여 전류 주입 및 분산 효율을 극대화하는 혁신적 구조를 구현하고자 한다. 1단계에서는 다양한 상부전극 및 박막 조성, 두께, 증착 조건을 분석하고, 전도성 메커니즘을 규명하기 위한 물성 연구와 포밍 조건 최적화를 수행하였다. 2단계에서는 이 기반 기술을 바탕으로 UV-A\~C LED, micro-LED, OLED 등의 고효율 광전소자에 적용하였으며, 특히 AlGaN 기반 UV LED에서는 투명전극의 work function 제어를 통해 direct ohmic contact을 구현하고 외부 양자효율을 크게 향상시켰다. micro-LED 분야에서는 전극 설계와 전기적 포밍 기법을 통해 고밀도, 고개구율 어레이를 구현하였고, OLED 분야에서는 전류 분산 효율이 극대화된 유기소자 제작을 통해 고투명, 고효율 조명·디스플레이 응용을 실현하였다. 마지막 3단계에서는 전도성 필라멘트 기술을 local interconnection 개념으로 확장하여, 도체와 절연체의 경계를 넘는 새로운 패러다임의 투명 디바이스를 구현함으로써 기술의 외연을 넓혔다. 본 기술은 UV Emitter, OLED, Micro-LED, 투명 디스플레이 등 광전소자 전반의 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있으며, ZnO 등 비AlGaN계 소재로의 확장성과 함께 반도체, 디스플레이, 조명, 메모리, IoT 디바이스 등 다양한 응용 분야에서 산업적 파급력이 매우 클 것으로 기대된다. 학문적으로도 물리, 전자, 재료공학 간 융합연구를 촉진하며, 국내 광산업의 글로벌 경쟁력 확보에 핵심적 기여를 할 수 있는 기술로 자리매김할 전망이다.
[IRIS]열 확산 제어를 통한 헤테로 구조 기반의 초저전력, 고성능 상변화 메모리/멤리스터 소자 개발
고려대학교 산학협력단
이 연구는 열 확산 제어 기술을 활용하여 초저전력·고성능의 상변화 메모리 및 멤리스터 소자를 개발하고, 이를 기반으로 차세대 저장장치(Storage Class Memory, SCM)와 지능형 반도체 분야를 선도할 수 있는 핵심 기술을 확보하는 것을 목표로 한다. 1차년도에는 열전 효과를 활용한 설계 전략을 수립하고, 소자 단위의 시뮬레이션 분석을 통해 이방성 열 확산 메커니즘을 규명함으로써, 고집적화가 가능한 헤테로 구조 기반 상변화 메모리의 구조 최적화를 수행하였다. 2차년도에는 이러한 메커니즘을 바탕으로 self-selecting 특성을 갖춘 칼코제나이드계 물질을 활용하여 열 간섭을 제어할 수 있는 상변화 메모리/멤리스터 데모 소자를 제작하고, 초저전력 구동과 고신뢰성 전기적 특성을 검증하였으며, 시냅스 특성 확보를 통해 뉴로모픽 응용을 위한 기반 기술도 마련하였다. 3차년도에는 1S1R(one selector–one resistor) 구조의 공정 조건과 어레이 스케일을 최적화하고, 32×32 어레이 수준에서의 열 간섭 제로 동작을 실증함으로써 고성능, 고집적 상변화 메모리 시스템으로의 확장 가능성을 제시하였다. 이 기술은 기존 상변화 메모리의 한계를 극복하고, 열 확산을 정밀 제어하여 에너지 손실을 줄이는 동시에 신호 간섭을 최소화할 수 있는 혁신적인 접근 방식으로, 향후 SCM 대체 기술로서의 경쟁력을 확보할 수 있다. 또한 뉴로모픽 시스템, AI 가속기, In-Memory Computing 및 고성능 데이터베이스 등 다양한 지능형 반도체 플랫폼에도 확장 적용이 가능하여, 차세대 메모리 아키텍처 형성과 국내외 시장 주도권 확보에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
