페로브스카이트 재료를 활용한 뉴로모픽 트랜지스터 연구

1. 페로브스카이트의 전기적 특성과 뉴로모픽 소자로의 가능성

페로브스카이트(Perovskite)는 결정 구조가 ABX₃ 형태로 구성된 무기 및 유기-무기 하이브리드 물질군으로, 태양광 흡수체로 잘 알려져 있으나 최근에는 그 전기적 특성과 이온 이동 특성을 활용해 뉴로모픽 소자, 특히 트랜지스터형 시냅스 소자로서의 가능성이 활발히 연구되고 있다. 페로브스카이트는 전기장에 따라 이온이 재배열되며, 이로 인해 저항이나 전하 저장 특성이 변화하게 된다. 이러한 특성은 시냅스의 가중치 변화, 즉 장·단기 기억 형성 메커니즘을 모사하는 데 적합하다. 특히 할라이드 페로브스카이트(예: CsPbBr₃, MAPbI₃)는 결정 내 이온의 유동성이 높아, 전기 자극에 의해 연속적이며 비가역적인 전도도 변화를 유도할 수 있다. 이 메커니즘은 생물학적 시냅스가 가지는 시냅스 강화와 약화(plasticity)의 전기적 구현에 직접적으로 활용 가능하다. 또한 페로브스카이트의 결정 성장 온도는 상대적으로 낮아, 다양한 기판과 공정 조건에 호환되며, 이는 대면적 뉴로모픽 칩 제조를 위한 파운드리 호환 가능성까지 열어주는 장점이 된다.

 

 

 

2. 페로브스카이트 기반 트랜지스터 소자의 동작 구조와 실험 사례

페로브스카이트를 활용한 뉴로모픽 트랜지스터는 일반적으로 전계효과 트랜지스터(FET) 구조에 기반을 두고 있다. 소스(Source)와 드레인(Drain) 사이에 페로브스카이트 반도체 층을 형성하고, 게이트 전압에 따라 이온 재배열이 발생하면서 도전 특성이 조절된다. 이러한 구조에서는 게이트 전압의 크기와 지속 시간에 따라 채널의 전도 특성이 점진적으로 증가하거나 감소하며, 이는 생체 시냅스의 강화(LTP) 및 약화(LTD) 현상을 정밀하게 재현할 수 있게 한다. 실제로 2021년 발표된 한 연구에서는 유기-무기 할라이드 페로브스카이트를 이용해 10³회 이상의 반복된 시냅스 가중치 조절이 가능함을 입증했다. 이 소자는 단일 셀에서 단기 기억(STP)과 장기 기억(LTP)의 전환을 구현할 수 있었으며, 인공 뉴런과의 결합 실험에서도 높은 신뢰도로 패턴 인식이 가능했다. 또한 이러한 페로브스카이트 기반 트랜지스터는 비정형 구조, 즉 플렉서블 기판에도 적용 가능하다는 점에서, 향후 웨어러블 뉴로모픽 기기의 핵심 부품으로 활용될 가능성도 충분히 열려 있다. 이는 기존의 산화물 반도체 기반 트랜지스터보다 유연성과 물성 조절의 자유도가 훨씬 높기 때문이다.

 

3. 장기적 안정성 문제와 상용화를 위한 기술적 도전 과제

페로브스카이트 기반 뉴로모픽 트랜지스터의 가장 큰 기술적 도전은 장기적 안정성 확보다. 페로브스카이트는 수분, 산소, 고온 환경에서 쉽게 열화되는 경향이 있으며, 이로 인해 소자의 내구성과 신뢰성이 상용화 수준으로 확보되지 않은 상태다. 특히 뉴로모픽 소자는 수천 번 이상의 반복적인 신호 자극을 처리해야 하며, 각 자극에 대해 정밀하고 일관된 반응을 요구받는다. 하지만 페로브스카이트의 이온 이동 특성은 반복 자극 과정에서 소자의 누적 변화, 전기화학적 불안정성, 경로 기억 오류(path-dependent hysteresis) 등의 문제를 유발할 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 최근에는 표면 패시베이션 처리, 이온 블로킹 계면층 삽입, 양자점과의 복합화 등의 기술이 적용되고 있다. 또한 재료 자체의 조성 변화를 통해 결정 구조의 안정성을 강화하거나, 전극-반도체 인터페이스의 정렬을 최적화하는 연구도 병행되고 있다. 상용화 단계에서는 이러한 내구성 개선 기술이 제조 공정에 통합되어야 하며, 공정 온도, 시간, 분위기 조건 등이 페로브스카이트의 구조 변화에 어떤 영향을 미치는지에 대한 메커니즘 연구도 더욱 필요하다. 결국, 페로브스카이트는 매우 유망한 뉴로모픽 소자 재료지만, 상업적 적용을 위해선 재료 과학, 소자 공학, 회로 설계가 유기적으로 결합되어야 하는 고난도 과제임은 분명하다.