한국과학기술원(KAIST)의 권지민 교수가 이끄는 연구팀은 UNIST 및 POSTECH와 협력하여 새로운 반도체 기술을 개발했다. 이 기술은 소자의 반응 속도 차이를 활용해 시간 정보를 읽어내는 방식으로, 특히 웨어러블 기기 분야에서 혁신적인 가능성을 열고 있다. 이 연구 결과는 최근 국제 학술지 ‘Advanced Materials’에 게재되었다.

이 기술은 반응 속도가 서로 다른 반도체 소자를 수직으로 층층이 쌓아 시간적 변화를 감지하는 방식을 통해 실현된다. 이는 전기를 가했을 때 소재 내부의 ‘이온’이 움직여 전류가 변경되고, 전기가 끊어진 후에도 이온이 원래 상태로 돌아가는 데 필요한 시간이 남아 있음을 이용하는 것이다. 연구팀은 일반적으로 단점으로 여겨지던 이 영역의 이러한 특성을 긍정적으로 활용하였고, 그 결과 신호에 대한 반응 시간을 조절할 수 있는 방법을 발견했다.

이전 연구에서는 이온을 담은 물질이 주로 액체 혹은 젤 상태로 만들어져 있었고, 그러한 구조의 한계로 인해 반도체를 정교하게 다층으로 쌓는 것에 어려움을 겪고 있었다. 하지만 이번 연구에서 공동연구팀은 이온이 포함된 물질을 단단한 얇은 막으로 변환하고, 이 안에서 이온의 양과 박막의 두께를 조절하여 신호에 대해 다양한 반응 속도를 가진 소자들을 구현했다. 이러한 층층이 쌓인 소자 구조는 최근 들어온 신호와 조금 전부터 계속되어 온 신호에 각각 반응하여, 16가지의 다른 패턴을 구별할 수 있음이 확인되었다.

더 나아가 연구팀은 이 소자들의 성능을 테스트하기 위해 움직임을 포함한 숫자 영상 신호를 사용하여 모델링을 진행하였다. 결과적으로 서로 다른 속도의 영상 신호에서 90% 이상의 검증 정확도를 기록할 수 있었다. 이러한 성공은 실제 소자 측정값을 사용하여 모델을 검증한 결과이며, 이는 해당 기술의 실용적인 장점을 보여준다.

기술 구현 과정에서 연구팀은 4인치 웨이퍼 크기로 소자를 제작하고, 이를 휘어지는 기판에도 적용함으로써 유연성을 높였다. 그리고 전기적 특성은 제작 후 55개월간의 지속적인 측정에서도 안정적으로 유지되었음이 확인되었다.

이러한 기술적 발전은 향후 움직임 및 생체 신호와 같은 시간에 따라 변하는 정보를 작은 기기에서 처리할 수 있는 가능성을 제시한다. 그러나 스마트워치 등의 실제 애플리케이션에 이를 적용할 때의 성능과 전력 절감 효과는 추가적인 검증이 필요하다.

연구의 핵심은 고체형 이온젤 내의 이온 함량과 박막 두께를 조절하여 소자의 동적 특성과 시간상수를 설계하고, 서로 다른 시간적 특성을 가진 소자들을 3차원으로 적층하는 방법에 있었다. 권지민 교수는 이러한 발견이 저전력 기기가 사용자의 움직임과 생체 신호를 인식할 수 있는 AI 반도체로 발전될 가능성을 제시한다고 설명했다.

연구에는 KAIST의 정학순 연구교수가 제1 저자로 참여하였으며, POSTECH의 노용영 교수와 KAIST의 권지민 교수가 각각 교신저자로 이루어진다. 이 연구는 국제 학술계에서 큰 관심을 불러일으키고 있으며, 향후 웨어러블 기기의 발전에 중요한 계기가 될 것으로 기대된다.