울산과학기술원(UNIST) 연구팀이 전원을 꺼도 상태가 유지돼 대기 전력이 필요 없는 통신용 반도체 소자를 개발했다. 위성 통신이나 6G 기지국처럼 전력과 공간이 극도로 제한되는 환경에서 활용이 기대된다.

UNIST 전기전자공학과 김명수 교수팀은 산화 2차원 반도체 소재를 기반으로 한 다기능 멤리스터 소자를 만들었다고 22일 밝혔다. 멤리스터는 메모리(memory)와 레지스터(resistor)의 합성어로, 전압에 따라 저항값이 바뀌고 전원이 꺼져도 그 상태를 기억하는 비휘발성 소자를 말한다.

이번 소자의 핵심은 통신 고주파 신호의 경로를 여닫는 RF 스위치 기능과 연산 기능을 하나의 소자에 담은 점이다.

기존 통신 시스템에서는 안테나로 수신한 아날로그 고주파 신호를 디지털로 변환한 뒤 별도 프로세서로 옮겨 처리해야 했다. 이 과정에서 전력 소모와 신호 지연이 발생한다. 반면, 새 소자는 RF 스위치 역할을 하면서 동시에 행렬 연산까지 수행할 수 있어, 칩 면적을 줄이고 신호 변환 단계에서의 손실을 낮출 수 있다.

연구팀은 2차원 반도체 소재인 이황화몰리브덴(MoS₂)을 400℃에서 산화시켜 소자를 제작했다. 전압을 걸면 저항이 낮아지며 스위치가 켜지고, 반대 방향으로 전압을 주면 저항이 높아져 꺼진다. 별도 전압 없이도 저항 상태가 유지되므로 대기 전력이 들지 않는다.

실험 결과 소자를 한 번 켜거나 끄는 데 드는 에너지는 140pJ이었고, 동작 전력은 1mW 이했다. 저항 상태는 4만 초 이상 유지됐으며 1000회 이상 반복 동작에서도 안정성을 보였다. 고주파 스위칭 성능은 67GHz까지 검증됐고, 이론적 차단주파수는 33.2THz에 달했다.

소자를 바둑판 형태로 배열하면 행렬 연산이 가능하다. 연구팀은 시뮬레이션을 통해 1024-QAM 신호 복조와 MIMO 신호 복원이 이뤄짐을 확인했다. 다중 안테나에서 들어온 혼합 신호에서 원하는 신호를 골라내는 연산을 별도 프로세서 없이 소자 배열 자체에서 수행할 수 있다는 뜻이다.

손주호 제1저자는 "기존 상용 RF 스위치는 대기 전력이 계속 소모되고 고주파 대역에서 신호 손실이 발생하는 문제가 있었는데, 이 소자는 이런 한계를 근본적으로 해결했다"고 설명했다.

김명수 교수는 "비휘발성과 저전력, 고주파 특성을 동시에 확보한 만큼 위성 통신, 레이더, 방산용 전파 제어 시스템, 6G RF 프론트엔드 소형화에 기여할 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단, 정보통신기획평가원의 지원을 받아 수행됐으며 국제 학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)'에 6월 6일 게재됐다.