김세영 연구실의 핵심 축 중 하나는 인간 뇌의 시냅스 동작을 모사하는 뉴로모픽 반도체 소자와 이를 활용한 인메모리 컴퓨팅 시스템의 구현이다. 이 연구는 기존의 폰 노이만 구조가 갖는 메모리-프로세서 간 데이터 이동 병목과 높은 전력 소모 문제를 해결하기 위해, 저장과 연산을 소자 수준에서 통합하는 새로운 연산 패러다임을 지향한다. 특히 저전력·고정밀 아날로그 가중치 제어가 가능한 시냅스 소자를 설계하여 딥러닝 연산의 효율을 높이는 데 집중하고 있다. 연구실은 3단자 시냅스 소자, 저항변화메모리(RRAM), 전기화학적 메모리(ECRAM), 산화물 반도체 기반 트랜지스터 등 다양한 소자 구조를 탐구하며, 전도도 조절의 선형성, 대칭성, 반복 내구성, 상태 유지 특성 등 뉴로모픽 하드웨어에서 중요한 성능 지표를 개선하고 있다. 관련 특허에서는 최대 컨덕턴스 제한, 대칭적 가중치 조절, 읽기/쓰기 분리 구조 등 실제 학습 정확도와 하드웨어 안정성을 동시에 높일 수 있는 소자 설계 전략이 제시된다. 또한 티키타카 알고리즘과 같은 학습 알고리즘과 소자 특성을 함께 최적화하는 co-optimization 접근을 통해, 소자 단위 연구를 시스템 수준 성능 향상으로 연결하고 있다. 이 연구는 향후 초저전력 AI 가속기, 엣지 인공지능 반도체, 자율형 센서 노드와 같은 응용으로 확장될 가능성이 크다. 연구실의 목표는 단순히 개별 소자의 동작을 입증하는 데 그치지 않고, 대규모 어레이와 실제 신경망 학습이 가능한 수준의 신뢰성과 집적도를 확보하는 것이다. 따라서 김세영 연구실의 뉴로모픽 연구는 차세대 인공지능 하드웨어를 실현하기 위한 소자, 공정, 회로, 알고리즘의 융합 연구로 볼 수 있다.

연구실의 또 다른 주요 분야는 차세대 비휘발성 메모리와 고집적 메모리 어레이 기술이다. 최근 프로젝트에서 고집적 메모리용 2단자 가변 임계전압 소자, 오보닉 임계 스위치, 크로스바 어레이, 스토리지 클래스 메모리용 ECRAM 등이 반복적으로 등장하는 점은, 연구실이 미래 메모리 아키텍처를 위한 핵심 소자 개발에 집중하고 있음을 보여준다. 이는 고집적, 저전력, 고속 동작을 동시에 만족시키는 메모리 기술을 확보하기 위한 전략적 연구 방향이다. 구체적으로는 선택소자와 메모리 소자의 통합, 저온 증착 공정, 웨이퍼 스케일 균일도 확보, 대면적 어레이 구동 안정성, 소자 간 변동성 저감 등의 실질적 공정 문제를 함께 다룬다. 비소(As)-free 칼코게나이드 신소재 개발, ALD 및 스퍼터링 기반 증착 공정 최적화, 4K 이상 어레이 수준에서의 동작 검증은 연구가 단일 소자 특성 측정에서 끝나는 것이 아니라, 실제 집적 메모리 시스템으로 확장되는 방향임을 시사한다. 또한 저항 변화 메모리 어레이 기반 가중 시냅스 특허는 메모리 소자와 연산 기능의 결합 가능성을 보여주며, 메모리와 컴퓨팅의 경계를 허무는 연구와도 긴밀히 연결된다. 이러한 연구는 데이터센터, 엣지 디바이스, 모바일 시스템 등에서 요구되는 대용량 저장과 고효율 연산을 동시에 만족시키는 핵심 기반 기술이 될 수 있다. 특히 크로스바 구조는 면적 효율이 높고 병렬 연산에 유리하기 때문에, 메모리 기술 자체뿐 아니라 AI 연산 하드웨어로의 확장성도 크다. 김세영 연구실은 차세대 메모리의 재료, 소자, 공정, 어레이 설계까지 포괄적으로 다루며 반도체 집적 기술의 새로운 가능성을 제시하고 있다.

김세영 연구실의 연구 이력에는 그래핀과 원자층 반도체와 같은 2차원 소재 기반 전자소자 연구가 중요한 기반으로 자리하고 있다. 대표 논문으로는 구리 포일 위 대면적 고품질 그래핀 합성, 그래핀의 CMOS 및 Beyond CMOS 응용, 그리고 반데르발스 구조 기반 광응답 메모리 트랜지스터 연구가 포함된다. 이는 연구실이 단순한 기존 실리콘 소자 최적화에 머무르지 않고, 차세대 전자재료를 활용한 새로운 소자 원리 탐색에도 강점을 갖고 있음을 보여준다. 2차원 소재는 원자 수준 두께, 우수한 이동도, 기계적 유연성, 계면 제어 용이성 등의 장점을 가지며, 초저전력 소자와 초고집적 소자 구현에 매우 적합하다. 연구실의 그래핀 연구는 대면적 성장과 전사 공정을 통해 실제 소자 제작 가능성을 높였고, 이후 CMOS 호환성 및 고주파·아날로그 응용 가능성을 탐구하는 방향으로 확장되었다. 최근의 원자층 광-멤트랜지스터 연구에서는 WS2, MoS2, WSe2 등 다양한 반데르발스 반도체를 활용해 광자극과 결함 공학을 이용한 시냅스 동작 구현 가능성을 제시하였다. 이는 재료 수준의 물성 제어가 곧바로 뉴로모픽 기능 구현으로 이어질 수 있음을 보여주는 사례다. 이 연구는 향후 초박막 FET, 수직 적층 메모리, 광신경형 소자, 센서-연산 융합 칩 등 다양한 형태의 차세대 반도체 기술로 연결될 수 있다. 특히 4D 적층용 2T-0C DRAM 프로젝트와 같이 초박막 채널 및 수직 적층 구조를 다루는 연구는 2차원 소재 기반 접근과 기술적으로 맞닿아 있다. 김세영 연구실은 새로운 재료의 물성과 공정성을 반도체 소자 구조 안에 정교하게 통합함으로써, 미래형 전자소자의 성능과 집적도를 동시에 끌어올리는 연구를 수행하고 있다.