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아주대 연구진이 차세대 지능형 반도체에 활용 가능한 신소자를 개발했다. 기존의 플래시 메모리보다 빠르게 적은 에너지로 다양한 연산을 구현할 수 있어 인공지능 컴퓨팅과 빅데이터 처리 등에 폭넓게 활용될 전망이다. 서형탁 교수(첨단신소재공학과·대학원 에너지시스템학과) 연구팀은 강유전성 초박막 소재의 나노 위상 분극 도메인 정보 저장 및 스위칭 제어 기술을 이용하여 연산과 비메모리 기능이 통합된 프로세스-인-메모리(PIM) 터널링 소자 개발에 성공했다고 밝혔다.연구 내용은 "초고속 로직-인-메모리 동작 구현을 위한 헤프늄-지르코니아 나노라미네이트 기반 의 스위칭 가능한 극성 나노텍스츄어(Switchable Polar Nanotexture in Nanolaminates HfO2-ZrO2 for Ultrafst Logic-in-Memory Operations)"라는 제목으로 나노융합기술 분야 저명 국제 학술지인 <스몰(Small)> 3월호 온라인판에 게재됐다. 이번 연구에는 아주대 대학원 에너지시스템학과 쿠마 모히트(Mohit Kumar) 교수가 제1저자로, 아주대 대학원 한승익·안영환·전예린·박지영 학생이 공저자로 참여했다. 서형탁 교수는 교신저자로 함께 했다. PIM(Process-in-Memory)은 뇌의 신경회로를 모사해 메모리와 프로세서를 통합한 신개념 반도체로 미래 반도체 핵심 기술이다. 현재 반도체 집적회로는 메모리와 프로세서가 분리되어 데이터를 처리하는 '폰노이만 아키텍쳐(Von Neumann architecture)' 방식을 이용한다. 그러나 최근 인공지능(AI) 컴퓨팅과 빅데이터 처리 등을 위해 메모리와 프로세서 간 데이터 전달량이 증가함에 따라 처리 속도가 한계에 이르는 '폰노이만 병목현상'이 발생하고 있다. 이에 메모리와 프로세서를 통합해 빠른 연산 처리 속도를 구현하고, 전력 소모량도 아낄 수 있는 PIM 기술이 주목받고 있다.이러한 PIM 소자를 구현하기 위해 전 세계 반도체 제조사들은 기존 실리콘 집적회로 소재와 공정을 기반으로 회로 구조적인 변화를 시도함과 동시에 실리콘 소재에서 탈피하여 멤리지스터(메모리+레지스터)와 멤트랜지스터(메모리+트랜지스터)와 같은 신소자를 이용한 개발을 진행하고 있다. 그러나 PIM 기술이 목표로 하는 저전력·고속 스위칭·멀티 레벨 스위칭의 신뢰성을 모두 확보한 신기술의 개발은 아직 요원하다. 특히 나노 스케일의 단위 소자에서 안정적인 비휘발성 저장 및 논리 연산을 저전력·초고속으로 달성한 결과는 아직 보고되지 않았다.아주대 연구팀은 PIM 신소자 개발을 위해 헤프늄-지르코늄 복합산화물(HfZrO: HZO)에 주목했다. HZO는 차세대 저전력 트랜지스터의 후보군인 음의 정전저항기반 트랜지스터에 사용되는 핵심 소재로, 외부 전기장에 따라 비휘발성 분극이 강하게 일어나는 강유전성을 가지며 특히 3차원 구조의 집적회로 핵심 공정인 원자층 증착이 가능하여 반도체 분야에서 널리 연구 개발되고 있는 소재다. HZO의 강유전성은 이상적으로는 전압의 부호에 따라 상향 및 하향 수직 정렬 분극화가 소재 전체에 일관되게 일어나는 것이 필요하지만, 원자층 증착된 HZO는 나노결정구조를 가지기 때문에 각 결정립의 분포에 따라 수직 정렬 분극뿐만 아니라 경사 정렬 분극화가 점진적으로 발생하는 '위상 극성 도메인'이 형성된다. 연구팀은 이러한 위상 극성 도메인을 제어할 수 있다면, 각 나노스케일의 도메인에 정보를 비휘발성으로 저장하고 다양한 논리 연산을 구현할 수 있음에 착안하여 개발을 진행했다. 아주대 연구팀은 실리콘(Si) 기판 위에 헤프늄 산화물과 지르코니움 산화물을 나노레미네이트 방식의 플라즈마 원자층 증착 공정으로 순차적으로 번갈아 가며 증착하되, 완전히 균일한 박막 1종과 각 단일 층이 교차된 상태를 유지하는 박막 1종을 확보하는 공정을 개발했다. 그리고 원자현미경을 이용한 나노 스케일 분극 스위칭과 분석을 통해 교차 구조를 유지하는 박막의 경우에는, 분극화가 수직 정렬뿐 아니라 경사 정렬될 수 있고 이를 통하여 정보를 멀티레벨로 저장할 수 있음을 최초로 확인했다.이번에 개발한 소자를 이용하면 80나노 초(nsec)에서 쓰기 및 읽기 동작이 가능하고, 온·오프(on·off) 비율, 스위칭 반복성(Endurance), 비휘발성(데이터 저장 시간) 기능이 모두 기존의 소자 대비 우수하다. 더불어 아주대 연구팀은 하나의 단위 소자에서 비휘발성 스위칭 조합을 이용, NAND, NOR, OR, AND 등 총 14가지 논리 연산 기능을 다치레벨로 구현하여 비휘발성 PIM의 필수 특성을 모두 확인했다. 서형탁 교수는 "AI 컴퓨팅과 빅데이터 처리 등을 위해 차세대 지능형 반도체를 개발하고자 하는 노력이 이어지고 있다"며 "완전히 새로운 구조와 공정, 소자 등 다방면의 연구가 진행 중인 가운데, 이번 연구는 현재 양산 공정이 확보된 강유전성 소재를 기반으로 나노 도메인 분극화를 이용하여 정보를 비휘발성·다중레벨로 구현한 최초의 사례"라고 설명했다. 서 교수는 이어 "실리콘 접합 구조의 터널링 소자 구조를 구현하여 양산 공정 적용이 가능하다"며 "인공지능형 컴퓨팅에 적합한 회로 개발을 위해 다른 분야 연구자들과 협업하여 상용화를 목표로 후속 연구를 진행할 예정"이라고 덧붙였다. 한편 이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단이 주관하는 PIM인공지능반도체 핵심기술개발 사업과 기본·중견 기초연구지원사업의 지원으로 수행되었으며, 특허 출원이 진행 중이다. (왼쪽)기존 강유전성 HZO의 경우 상하 수직 분극 정렬만 존재하나 나노라미네이트 구조의 경우 경사 분극 정렬이 혼재되어 다중 분극 상태 제어가 가능함 (오른쪽 아래)투과전자현미경 분석을 통해 원자레벨에서 다중 원자 정렬이 존재함을 입증하였고 전압 크기에 따라 다치레벨의 분극화를 전압 크기에 따라 제어가능함을 원자현미경 분석을 통해 입증 (오른쪽 위)최종 나노텍스츄어의 다중 분극화를 이용한 양자역학적 터널링 메모리-로직연산 통합 소자의 개략도* 위 사진 설명 - 뒷줄 왼쪽부터 시계방향으로 한승익 학생, 서형탁 교수, 쿠마 모히트(Mohit Kumar) 교수, 박지영 학생, 전예린 학생
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- 작성일2023-06-30
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우리 대학 연구진이 화학반응 중 생성되는 물을 실시간으로 제거할 수 있는 반응기를 개발하는 데 성공했다. 이를 활용하면 산업 공정의 부산물로 생성되는 수분을 제거할 수 있어 제품 수율과 공정 효율성을 높일 수 있을 것으로 기대된다.4월5일 아주대 김석기 교수(화학공학과·대학원 에너지시스템학과, 사진 왼쪽)와 한국화학연구원(원장 이영국) 문수영 책임연구원(화학공정연구본부, 사진 오른쪽) 공동 연구팀은 400℃ 이상의 고온에서도 뛰어난 물 분리 성능을 발휘하는 촉매-분리막 하이브리드 반응 시스템을 개발, 다양한 물 생성 반응에서 작동 성능과 안정성을 검증하는 데 성공했다고 밝혔다. 해당 내용은 "고분자막 수분 제거를 통한 촉매반응의 평형 이동, 피독 방지, 선택성 향상 (Equilibrium shift, poisoning prevention, and selectivity enhancement in catalysis via dehydration of polymeric membranes)"이라는 제목으로 저명 국제 학술지 <네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications)> 2023년 3월호에 게재됐다. 다양한 산업 공정에서 화학반응의 부산물로 생성되는 수분은 목표 생성물의 수율을 낮추거나, 공정에 사용되는 촉매의 성능을 현저히 저하시킨다. 이에 학계와 산업계에서는 그동안 공정상 발생하는 수분을 제거하기 위해 다양한 방법을 연구해왔다. 공정의 부산물로 생성되는 물을 선택적으로 제거하면, 열역학적 평형을 생성물 쪽으로 이동시켜 목표 생성물의 수율을 향상시킬 수 있고 물에 의해 촉매의 활성을 감소시키는 촉매 피독(poisoning) 현상이나 다른 반응물과의 부반응도 방지할 수 있다. 이에 산업계에서는 장기 운전성과 높은 제품 수율을 위해 물을 선택적으로 제거하기 위한 다양한 전략을 개발해왔다. 대표적인 전략이 반응기 내에 수분 흡착제를 삽입하거나, 물과 강하게 반응하는 제3의 반응물을 사용하는 방식이다. 그러나 이러한 방법은 주기적으로 반응 공정을 멈추고 흡착제나 화학 물질을 재생 및 투입해야 하기 때문에 효율적 공정 설계가 어렵다는 한계가 존재해왔다.아주대 공동 연구팀은 폴리이미드 폴리이미드 중공사막을 만든 후 열적 재배열을 통해 물 투과 성능이 우수한 폴리벤족사졸 막을 제조했다. 이렇게 하면 고온의 화학반응에서도 열적·화학적 안정성을 유지할 수 있다. 중공사 형태의 분리막은 반응기 안에서 촉매와 분리막의 접촉 면적을 증대시켜 반응기 내에 작은 부피의 분리막을 사용하고도 반응에 의해 생성되는 물을 효율적으로 분리, 배출시킬 수 있다. 이러한 형태의 분리막은 일반적인 원통형 반응기에 쉽게 설치할 수 있다는 이점도 존재한다.연구진은 이렇게 개발한 분리막 반응기의 성능을 실험을 통해 검증해냈다. 우선 새로 개발한 반응기를 활용하여, 이산화탄소와 수소가 반응해 일산화탄소를 높은 수율로 얻어낼 수 있음을 확인했다. 이산화탄소와 수소가 반응하는 역수성 가스 반응을 통해 일산화탄소와 물이 생성되는데, 연구팀의 새로운 분리막 반응기를 활용하면 일산화탄소의 생성 효율을 2배 이상 증진시킬 수 있다. 연구팀은 또 개발한 분리막 반응기를 통해 메탄 연소에서의 촉매 비활성화 속도를 10배 이상 늦출 수 있고, 기초 화학 원료인 올레핀 유분 생산에서 물에 의한 부반응을 3배 이상 억제해 원료 활용도를 획기적으로 높일 수 있음을 확인했다.최근 전 세계적으로 '탄소중립'을 비롯한 저탄소·친환경 경제에 대한 관심이 높기 때문에, 공기 중에 배출된 이산화탄소(CO2)를 포집하고 처리하는 기술이 학계와 산업계의 주목을 받고 있다. 공동 연구팀이 검증한 화학 반응들은 모두 탄소 사용량과 배출량이 많은 철강·시멘트·석유화학 산업과 화력발전 등의 분야에서 이산화탄소를 포집해 저장하고 활용하는 기술(CCUS, carbon capture utilization and storage)과 긴밀히 연결되어 있다. 공동 연구팀이 개발한 분리막 반응기를 활용하면, 이산화탄소 포집 및 활용에서 핵심 공정으로 인식되는 이산화탄소 전환 반응과 이로부터 생성되는 고부가 화합물 합성 반응 공정의 에너지 효율을 개선할 수 있다. 이렇게 되면 그동안 낮은 경제성 문제로 지지부진했던 해당 공정들의 상용화를 촉진하는데 도움이 될 것으로 전망된다. 김석기 아주대 교수는 "공동 연구를 통해 개발한 분리막-촉매 하이브리드 반응 시스템은 높은 산업적 잠재력을 가지고 있다"며 "향후 탄소중립을 위한 화학 반응 공정에 있어, 부산물에 의해 발생하는 다양한 문제점을 해결하는 데 중요한 역할을 할 것"이라고 설명했다. 한편 이번 연구는 한국화학연구원의 KRICT Build-up 사업, 산업통상자원부 저순도 CO2 직접전환 기초유분 생산공정 핵심기술 개발 사업 등의 지원을 통해 수행되었다.공동 연구팀이 개발한 분리막 반응기. a 반응기의 전체적인 모습 b 반응물이 공급되는 입구 부분 c 제거된 물이 배출되는 출구 부분. 중공사 형태의 분리막을 통해 물이 효율적으로 분리, 배출된다.
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아주대 연구진이 물 위에서 50cm 이상 뛰어오를 수 있는 수면 도약 로봇을 개발했다. 소금쟁이를 비롯한 수면 생물의 움직임에서 착안한 것으로, 앞으로 웨어러블 기기를 비롯한 초소형 로봇의 주요 요소 기술로 활용될 전망이다.기계공학과 고제성·강대식·한승용 교수 연구팀은 3월22일 세계 최고 수준의 수면 도약 로봇(위 사진)을 개발했다고 밝혔다. 해당 내용은 "수면 도약과 유체역학적 스케일의 관련성 (Scale dependence in hydrodynamic regime for jumping on water)"이라는 논문으로 네이처 자매지이자 저명 학술지인 <네이쳐 커뮤니케이션스(Nature Communications)> 3월호에 게재됐다.이번 연구에는 아주대 기계공학과 대학원 권민석 석사가 제1저자로, 김동진·김백겸 박사과정 학생이 공동저자로 참여했다. 기계공학과의 고제성·강대식·한승용 교수는 교신저자로 함께 했다. 연구팀은 물 위의 수면 생물을 주목했다. 수면 생물 중 소금쟁이는, 물 위에서 자기 몸의 10배가 넘는 높이를 뛰어오를 수 있다. 연구팀은 수면 생물의 점프 원리를 이론적으로 규명하고, 이를 모사해 수면에서 도약이 가능한 로봇을 실제로 구현해 냈다. 연구팀의 수면 도약 로봇은 50cm 이상 수직으로 도약할 수 있고, 20cm 이상의 장애물을 뛰어넘을 수 있다. 기존에 개발된 수면 도약 로봇들과 비교하면 월등히 높은 수준의 성능이다. 이 로봇은 실제 소형 곤충에 비해 10배 이상 큰 몸 길이 28cm 정도의 크기로 구현됐다. 아주대 연구진은 수상 생물과 생체 모방 초소형 로봇의 수면 거동에 대한 원리 분석을 통해 유체역학적 스케일과의 연관성을 찾았다. 또한 이를 통해 수면 도약 성능에 대한 기준을 마련했다. 해당 기준을 활용하면 물 위에서 거동하는 로봇을 비롯해 수면과 상호작용하는 기기의 설계에 적용해, 거동을 예측하고 성능을 향상 시킬 수 있다. 고제성 교수는 "이번 연구 성과가 곤충 모방 초소형 로봇의 개발에 핵심 기술이 될 수 있다"며 "앞으로 초소형 웨어러블 기기 및 로봇에 적용될 수 있어 의료, 국방, 감시, 정찰, 환경 모니터링 분야에서 활용이 가능할 것"이라고 의의를 설명했다. 아주대 연구팀이 개발한 수면 도약 로봇이 수면에서 뛰어 올라 20cm 장애물을 넘어 가는 모습# 관련 영상 바로가기 [출처 : 연합뉴스]
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