기계공학부 김태성 교수 연구팀이 반데르발스(vdW) 물질을 활용해 차세대 인공지능(AI) 반도체와 스핀트로닉스 소자의 두 축을 동시에 혁신하는 성과를 거두었다고 밝혔다. 연구진은 단일 플라즈마 공정을 통해 나노결정과 반데르발스 격자가 접합된 반데르발스 2D/3D 이종접합 뉴로모픽 메모리 소자를 구현함과 동시에, 강자성 특성을 나타내지 않는 벌크 상태의 바나듐 셀레나이드(VSe₂)에 상온에서도 동작 가능한 강자성 특성을 인공적으로 부여하는 데 성공했다.

인공지능과 초연결 사회로의 전환에 따라, 기억 기능과 연산 기능을 동시에 수행하는 뉴로모픽 메모리 소자의 필요성이 커지고 있다. 그러나 기존의 CMOS 기반 메모리 기술은 전력 소모와 집적도에서 한계가 있었고, 금속 산화물 기반 ReRAM 역시 결정립계와 전도 필라멘트 불균일성으로 인해 장기적 안정성과 대규모 집적에 제약이 따랐다. 이러한 문제를 극복하기 위해 연구팀은 단일 플라즈마 황화 공정을 이용, 아르곤(Ar)과 황화수소(H₂S)의 이온 침투 및 이온 페닝 효과를 정밀하게 제어하여, 별도의 증착이나 본딩 없이도 3차원 모놀리식 집적 구조체를 직접 형성하는 데 성공했다. 이를 통해 장기강화(LTP)·장기억제(LTD) 특성 및 아날로그 시냅스 가중치 조절이 가능함을 입증했으며, 1.8×10⁷회 이상의 스위칭 사이클 동안 안정적인 동작을 확인했다.

동시에 연구팀은 오랜 기간 불가능하다고 여겨진 2차원 상온 강자성체 구현에도 성공했다. 기존의 2차원 자성체는 단층(monolayer) 박리 방식으로만 얻을 수 있고 극저온에서만 자성이 발현되어 실용화가 어려웠다. 연구팀은 본래 비자성체인 벌크 VSe₂를 나노결정화 및 단층화 격리시켜, 억제되어 있던 강자성 특성을 상온에서 인공적으로 발현시켰다. 특히, 자기력 현미경(MFM) 관찰을 통해 나노결정립(grain) 경계가 자성 도메인의 ‘피닝(pinning)’ 역할을 수행한다는 사실을 규명하며, 반데르발스 강자성체의 구조-자성 연계 메커니즘을 새롭게 제시했다.

이번 두 성과는 반데르발스 물질 플랫폼의 범용성과 응용 가능성을 동시에 확장했다는 점에서 큰 의미가 있다. 3차원 집적 뉴로모픽 메모리는 기존 실리콘 기반 공정의 복잡성과 물리적 제약을 극복할 수 있는 대안 플랫폼을 제시하며, 상온 강자성체 구현은 차세대 스핀트로닉스 및 양자 소자의 길을 연다. 김태성 교수는 "단일 공정 기반의 집적 메모리와 인공 강자성 구현을 통해, 원하는 위치에 다강성(multi-ferroicity)을 정밀하게 도입할 수 있는 새로운 반데르발스 소재 플랫폼으로 발전시킬 계획"이라며 "차세대 AI 반도체와 스핀트로닉스 기술을 동시에 가속화할 수 있는 전환점이 될 것"이라고 강조했다.

본 연구에는 기초과학연구원 (IBS) 양자나노과학 연구단, 세인트루이스 워싱턴 대학교, 한국기계연구원, 파크시스템스 R&D 센터가 공동 연구진으로 참여하였으며, 해당 연구 성과들은 각각 세계적인 국제학술지 "Advanced Science" 에 5월 28일 / 8월 27일에 게재되었다.

저자명: 교신저자 김태성 교수, 제1저자 이진형 석박통합과정, 김건형 박사과정, 석현호 박사후연구원, 최현빈 빅사과정, 한수정 석사과정

논문명 1: Monolithically-integrated van der Waals Synaptic Memory via Bulk Nano-crystallization

논문명 2: Artificial Room-Temperature Ferromagnetism of Bulk van der Waals VSe2

논문링크 1: https://doi.org/10.1002/advs.202510961

논문링크 2: https://doi.org/10.1002/advs.202504746

나노결정화로 구현된 반데르발스 2D/3D 이종 집적구조체 기반의 시냅틱 메모리

반데르발스 단층 격리화로 구현된 상온에서 동작하는 벌크 반데르발스 강자성체