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- 성균관대 김태성 교수님 대한설비공학회 귀뚜라미 학술상 수상 NEW
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- 작성일 2025-12-04
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- “반도체 집적 한계 돌파구 찾았다” 단일 공정 3차원 모놀리식 집적 AI 반도체 소자 개발
- “반도체 집적 한계 돌파구 찾았다” 단일 공정 3차원 모놀리식 집적 AI 반도체 소자 개발 - 3차원 모놀리식 집적 소자 및 차세대 인공지능 반도체 연구 가속화 기대 성균관대학교(총장 유지범) 기계공학부 김태성 교수 연구팀이 단일 플라즈마 공정을 통해 나노 결정과 반데르발스 격자로 구성된 2D/3D 이종접합을 형성해, 기존 반도체의 3차원 적층 기술의 한계를 극복한 모놀리식 집적 반데르발스 시냅틱 메모리 소자를 개발했다고 발했다. 인공지능(AI)과 초연결 사회의 도래로, 방대한 데이터를 실시간으로 처리할 수 있는 차세대 AI 반도체 하드웨어의 필요성이 커지고 있다. 특히 기억 기능과 연산 기능을 동시에 수행할 수 있는 뉴로모픽 메모리 소자는 인간 뇌의 시냅스 동작을 모사할 수 있어, 에너지 효율성과 집적도 측면에서 큰 주목을 받고 있다. 기존의 전하 기반 메모리 기술은 CMOS 공정을 통해 성능 향상을 이뤄왔지만, 전력 소모와 집적도의 한계로 인해 차세대 인공지능 반도체로 활용하기에는 근본적인 제약이 있었다. 이러한 한계를 극복하기 위한 대안으로 저항 변화를 이용한 메모리(ReRAM)가 제시되었다. 단순한 금속-절연체-금속(MIM) 구조를 기반으로 하는 ReRAM은 크로스바(crossbar) 배열과의 높은 호환성 덕분에 미래형 인메모리 컴퓨팅 소자로 주목받고 있다. 그러나 기존의 다결정 금속 산화물 기반 소자는 결정립계(grain boundary)를 통한 누설 전류와 불균일한 전도 필라멘트 형성으로 인해 안정성과 신뢰성이 낮아 장기적인 내구성과 대규모 집적에는 한계가 존재했다. 반도체 산업계는 이를 해결하기 위해 3차원 집적(3D integration) 기술에 집중해왔다. 메모리, 로직, 광소자 등 다양한 기능 소자를 수직으로 적층하는 방식인 이종 집적(3DHI)은 공간 활용과 성능 향상에 유리하지만, 실리콘 관통전극(TSV)이나 웨이퍼 본딩에 기반한 공정은 제조 복잡성과 정렬 오차 문제를 피하기 어렵다. 이에 대한 대안으로 모놀리식 3차원 집적(M3D) 기술이 제안되었지만, 기존 재료의 기계적 취약성과 내부 응력은 박막 전사 및 적층 과정 등이 치명적인 한계점으로 작용했다. 이러한 상황에서 주목받는 것이 바로 2차원 반데르발스(vdW) 물질로, 원자층 수준의 얇은 두께와 뛰어난 기계적 유연성, 그리고 높은 응력 저항성을 지닌 구조적 특성 덕분에, 반데르발스 물질은 모놀리식 집적에 최적화된 플랫폼을 제공한다. 다만, 상용화를 위해서는 여전히 반데르발스 격자의 정밀한 적층 제어 기술, 계면 내 결함 및 기계적 격자 불일치 문제, 대면적 합성 등의 한계점을 해결해야 하는 과제가 남아 있다. 이러한 한계점을 해결하기 위해, 국내 연구진은 반데르발스 물질 기반의 3차원 모놀리식 집적형 메모리 소자 개발에 성공하며 반도체 기술의 새로운 전환점을 마련했다. 이번 연구에서는 기존 반데르발스 적층 방식의 한계를 뛰어넘어, 단일 플라즈마 황화 공정을 통해 반데르발스 격자 내 2D/3D 이종 집적구조체 기반의 뉴로모픽 반도체 소자를 구현했다는 점에서 의미가 크다. 연구진은 플라즈마 특성 제어를 통해 아르곤(Ar)과 황화수소(H₂S)의 '이온 페닝 효과(Ion Penning effect)'와 ‘이온 침투 현상(Intercalation)’을 제어함으로써, 별도의 증착 및 배선 등 별도의 추가 공정 없이도 반데르발스 격자에서 직접적으로 3차원 모놀리식 집적을 구현할 수 있었다. 이를 검증하기 위해 연구진은 주사투과전자현미경(STEM), X선 광전자분광법(XPS), 라만 분광법, 전도성 원자힘현미경(C-AFM), 주사 터널링 현미경 (STM) 등 다양한 정밀 분석 기법을 통해 해당 소자의 구조적 안정성과 전기적 균일성을 규명하였다. 나노 결정층과 벌크 격자의 계면에서 발생하는 전자 이동도의 이질성을 기반으로 생물학적 시냅스와 유사한 장기강화(LTP) 및 장기억제(LTD) 특성을 모사 및 아날로그 시냅틱 가중치 업데이트를 구현하여 기존 이종 집적(heterogeneous integration) 방식에서 불가피했던 계면 불일치(interface mismatch)와 누설 전류 문제를 해결하였다. 또한, 주사 터널링 현미경 (STM) 기반의 dI/dV 측정을 기반으로 밴드갭이 나노 결정층과 벌크 격자 간의 비율 및 게이트 전압에 따라 증가하는 "bandgap widening" 현상도 관측하였다. 또한, 양방향(bipolar) 스위칭 특성이 1.8×10⁷회 이상의 스위칭 사이클 동안 안정적으로 유지되어 해당 소자의 내구성까지 입증하였다. 이러한 반데르발스 나노결정화는 적층 순서, 층 수, 격자 구조에 구애받지 않고 적용 가능하다는 점에서 본 연구는 기존의 이종 웨이퍼 접합이나 복잡한 다층 적층 공정을 대체할 수 있는 새로운 3차원 집적 플랫폼을 제시할 것으로 기대된다. 연구 책임자 김태성 교수는 "단일 공정 기반의 반데르발스 시냅틱 메모리는 기존 실리콘 기반 3차원 집적 기술의 복잡한 제조 공정 및 물리적 제약을 근본적으로 극복할 수 있는 보편적 플랫폼이라는 점에서 큰 기술적 의의가 있다" 라고 밝혔다. 본 연구에는 기초과학연구원 (IBS) 양자나노과학 연구단, Washington University in St. Louis, 한국기계연구원, 파크시스템스 R&D 센터가 공동 연구진으로 참여하였으며, 해당 연구 성과는 세계적인 국제학술지 "Advanced Science"에 8월 29일 게재되었다. 논문명: Monolithically-integrated van der Waals Synaptic Memory via Bulk Nano-crystallization 저자명: (왼쪽부터) 교신저자 김태성 교수, 제1저자 이진형 석박통합과정, 김건형 석사과정, 석현호 박사후연구원, 한수정 석사과정 논문 링크: https://doi.org/10.1002/advs.202510961 반데르발스 구조 (van der Waals structure): 반데르발스 힘으로 결합된 층상 구조 ▲ 나노결정화로 구현된 반데르발스 2D/3D 이종 집적구조체 기반의 시냅틱 메모리 (사진제공=성균관대학교) ▲ (왼쪽부터) 교신저자 김태성 교수, 제1저자 이진형 석박통합과정, 김건형 석사과정, 석현호 박사후연구원, 한수정 석사과정 (사진제공=성균관대학교)
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- 작성일 2025-08-27
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- '제2회 연구이음마당' 개최 및 2025년 출연연 「우수성과 분야」이사장상 수여
- ‘제2회 연구이음마당’개최 및 2025년 출연연 「우수성과 분야」이사장상 수여 - ‘일상 속 협력문화 활성화’를 주제로 협력촉진 프로그램 운영 - - 과학기술혁신과 창의도전적 연구성과 창출에 기여한 60인 수상 - 국가과학기술연구회(이사장 김영식, 이하 NST)는 6월 24일(화) 한국기초과학지원연구원·한국지질자원연구원·한국에너지기술연구원·한국핵융합에너지연구원과 공동으로 ‘제2회 연구이음마당’을 개최했다. 연구이음마당은 출연(연) 간 자율적·지속적인 교류문화를 조성하고, 연구자 간 협력 생태계를 확산하기 위해 분기별로 운영하고 있다. 이번 2분기 행사는 ‘일상 속 협력문화 활성화’를 주제로, 가족과 함께하는 문화행사와 체험 기반 프로그램을 포함해 보다 풍성하게 진행했다. 주요 프로그램으로는 ▲출연(연) 우수성과 분야 이사장상 포상 수여식, ▲신진연구자 교류회, ▲초등 자녀 그림 전시회, ▲연구현장 투어, ▲오픈 세미나, ▲초청강연, ▲출연(연) 연구행정혁신 전문분야 워크숍이 운영됐다. 특히, 자녀 그림 전시회와 연구현장 견학은 가족 간 유대감 강화는 물론, 연구 현장을 이해하는 기회를 제공하며 일상 속 자연스러운 소통과 교류를 촉진했다. 출연(연) 우수성과 분야 이사장상 포상 수여식에서는 우수 신진연구자 26인과 우수 연구지원자 34인이 선정돼 NST 이사장상을 수상했다. 우수 신진연구자 분야 중 ▲연구창조 부문은 ‘고성능 페로브스카이트 태양전지를 위한 새로운 표면 공정 기술 개발 연구’를 수행한 한국화학연구원 강봉주 박사, ▲연구혁신 부문에서는 ‘3차원 크리스퍼-플라즈모닉(CRISPLAS) 나노바이오소재 기반 극초기 다중 암 진단용 초고감도 어레이 센서 개발 연구’를 수행한 한국재료연구원 이민영 박사, ▲창의·도전 부문에서는 ‘인공지능 기반 신약개발 플랫폼 기술 개발 연구’를 수행한 한국화학연구원 장우대 박사가 최우수상을 수상했다. 연구지원자 분야에서는 ▲안정적 재정 여건 확보 및 철저한 결산 관리를 통해 기관 재정운영 투명성 제고에 기여한 한국과학기술연구원 이왕준 선임관리원, ▲과학기술정보통신부 소속·산하기관 홈페이지 점검과 모의해킹 교육 기획 및 강의로 보안사고를 예방한 한국과학기술정보연구원 김진숙 책임연구원, ▲출연(연) 기관평가제도 관련 적극적 연구행정을 추진하여 연구사업 내실화에 기여한 한국식품연구원 전지영 선임기술원이 최우수상을 수상했다. 또한, 연구자 간 실질적인 네트워킹을 위한 ‘신진연구자 교류회’가 함께 열렸다. 이 자리에는 출연(연) 내 자율적 연구혁신 문화 조성을 이끄는 ‘교류문화 어벤져스*’가 멘토로 참여해, 사전 관심 분야 기반으로 매칭된 신진연구자들의 자발적이고 주도적인 교류를 적극적으로 지원했다. 교류문화 어벤져스: 출연(연) 일상 속 교류환경을 조성하고 공동체 의식을 함양하기 위해 구성됐으며, 상시 교류문화 프로그램 전주기를 기획하고 운영함. NST 김영식 이사장은 “연구이음마당은 단순한 행사를 넘어, 출연(연) 간 신뢰와 협력을 바탕으로 지속 가능한 연구 생태계를 만들어가는 플랫폼”이라며, “함께 진행된 우수성과 시상식은 출연(연) 간 협력성과를 조명하는 뜻깊은 자리였다”고 말했다. 이어 “기술패권 경쟁시대에는 과감한 생각과 새로운 시각을 지닌 신진 연구자의 역할이 더욱 중요하다”며, “연구자들이 혁신적 성과를 창출할 수 있도록 연구회 차원의 지원을 이어가겠다”고 밝혔다. ※ 출연연 우수직원 이사장상 수상자 명단 및 주요 공적은 국가과학기술연구회(nst) 홈페이지(https://www.nst.re.kr/www/contents.do?key=312)에서 확인할 수 있습니다.
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- 작성일 2025-07-22
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- '꿈의 자성체' 실현…상온에서도 동작하는 반데르발스 강자성체 개발
- '꿈의 자성체' 실현…상온에서도 동작하는 반데르발스 강자성체 개발 - 차세대 스핀트로닉스 소자 및 반데르발스 자성 반도체 연구 가속화 기대 "강자성체를 나노미터 수준에서 설계하고, 상온에서도 작동시킬 수 있다면?" 이 질문에 대한 해답이 드디어 나왔다. 성균관대학교(총장 유지범) 기계공학부 김태성 교수 연구진이 비자성 물질인 벌크 바나듐 셀레나이드(VSe)에 인공적으로 자성을 부여해, 기존 2차원 강자성체(van der Waals ferromagnet)의 근본적인 한계를 극복하고 상온에서도 작동하는 신개념 2차원 자성 플랫폼을 구현하는 데 성공했다. 기존의 2차원 자성체들은 대부분 단층 재료(monolayer)를 기계적으로 박리하는 방식으로 얻었고, 극저온 상태에서만 자성이 발현되었다. 이는 실용적인 대면적 합성이나 소자의 상온 작동에 매우 부적합했다. 또한, 층간 상호작용이 약한 2차원 물질 특성상 자성의 유지가 이론적으로 어렵다는 '머민-바그너 정리(Mermin-Wagner theorem)'로 인해, 오랜 기간 2차원 상온 강자성 특성 구현은 불가능한 영역으로 여겨졌다. 이러한 기존 한계점을 극복하기 위하여, 연구팀은 본래 자성을 가지지 않는 벌크 상태의 바나듐 셀레나이드(VSe2)에 주목했다. 이 물질을 아르곤(Ar)과 황화수소(H2S) 플라즈마로 나노결정화(nano-crystallization) 및 단층화 격리 (monolyaer isolation) 시킴으로써, 강자성 특성을 인공적으로 발현시키는데 성공했다. 단층 VSe2는 전자 구조 특성에 의해 상온 강자성 특성을 나타내지만, 벌크 상태에서는 강자성 특성이 발현되지 않는다는 점을 기반으로 연구팀은 나노결정화를 통해 벌크 상태에서 억제된 강자성 특성을 인공적으로 발현시킨 것이다. 연구팀은 자기력 현미경 (MFM) 을 활용하여 나노결정화된 VSe2의 자성 도메인(magnetic domain)을 실시간으로 관측하여 자성을 띤 영역이 자성 도메인에 따라 분명히 구분되고, 그 경계가 나노 크기의 결정립(grain)과 일치하는 것이 확인하여, 결정립 경계가 자성 도메인의 '피닝(pinning)' 역할을 하며 자성의 분포가 특정 영역에 고정되는 현상도 관측하였다. 뿐만 아니라, 전자현미경(TEM), 에너지 분산 X선 분석(EDS), X선 광전자 분광법(XPS) 등을 통해 나노결정화와 격자 왜곡을 구조적/화학적으로 검증했다. 이번 연구 성과는 반데르발스 강자성체 연구의 범용성과 집적 가능성을 획기적으로 높이며, 차세대 스핀트로닉스 및 양자 분야의 새로운 지평을 열 것으로 예상된다. 교신저자 김태성 교수는 "해당 연구가 향후 다양한 물질군으로 확장될 수 있다고 보고 있으며, 인공적으로 다강성 (mutiferroic)을 조절하고 설계할 수 있는 새로운 반데르발스 소재 플랫폼으로 발전시킬 계획이다. 특히 기존 자성체들이 갖는 복잡한 상호작용 문제나 크기 확장성의 제약 없이, 원하는 위치에 다강성을 정밀하게 도입할 수 있다는 점에서 큰 기술적 의의가 있다" 라고 밝혔다. 본 연구에는 기초과학연구원 (IBS) 양자나노과학 연구단, 한국기계연구원, 파크시스템스 R&D 센터가 공동 연구진으로 참여하였으며, 해당 연구 성과는 세계적인 국제학술지 "Advanced Science" 에 5월 30일에 게재되었다. 논문명: Artificial Room-temperature Ferromagnetism of Bulk van der Waals VSe2 저자명: (왼쪽부터) 교신저자 김태성 교수, 제1저자 이진형 석박통합과정, 김건형 석사과정, 석현호 박사후연구원, 최현빈 석사과정 논문링크: https://doi.org/10.1002/advs.202504746 강자성 (Ferromagnetism): 외부 자기장이 없는 상태에서도 자화를 유지하는 특성 반데르발스 구조 (van der Waals structure): 반데르발스 힘으로 결합된 층상 구조 반데르발스 단층 격리화로 구현된 상온에서 동작하는 벌크 반데르발스 강자성체 (사진제공=성균관대학교) (왼쪽부터) 교신저자 김태성 교수, 제1저자 이진형 석박통합과정, 김건형 석사과정, 석현호 박사후연구원, 최현빈 석사과정 (사진제공=성균관대학교) 언론보도 현황 “'꿈의 자성체' 실현…상온 작동 2차원 자성 플랫폼 구현” [뉴시스] https://www.newsis.com/view/NISX20250602_0003199437 초고집적 꿈의 반도체 나오나 … 성균관대 김태성 교수팀, 상온에서도 동작하는 반데르발스 강자성체 개발 [뉴데일리] https://biz.newdaily.co.kr/site/data/html/2025/06/02/2025060200443.html “덩어리 상태의 2차원 물질서 '상온 강자성' 첫 구현” [동아사이언스] https://www.dongascience.com/news.php?idx=72031 “성균관대 김태성 교수팀, 상온 작동 신개념 2차원 자성 플랫폼 개발” [이뉴스투데이] http://www.enewstoday.co.kr/news/articleView.html?idxno=2284882 '꿈의 자성체' 실현…상온에서도 동작하는 반데르발스 강자성체 개발 [베리타스알파] http://www.veritas-a.com/news/articleView.html?idxno=556671 “‘꿈의 자성체’ 현실로…성균관대, 상온서 작동하는 신개념 2차원 자성체 개발” [베리타스알파] https://www.pinpointnews.co.kr/news/articleView.html?idxno=348858 “성균관대 기계공학부 김태성 교수 연구진, 상온에서도 동작하는 반데르발스 강자성체 개발” [뉴스티앤티] http://www.newstnt.com/news/articleView.html?idxno=495454 “성균관대, 상온에서도 동작하는 반데르발스 강자성체 개발” [아시아타임즈] https://www.asiatime.co.kr/article/20250602500400
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- 작성일 2025-05-29
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