최근 인공지능 기술은 많은 양의 데이터로 모델을 학습시킴으로써 음성 인식, 자연어 처리, 컴퓨터 비전 등 다양한 분야에서 인간을 뛰어넘는 인지기능을 실현하고 획기적인 성능향상을 이룩하고 있습니다. 이러한 인공지능의 기능을 고도화하고 폭발적으로 증가하는 인공지능 관련 연산을 수행하기 위해서는 더욱 빠르고 효율적인 인공지능 연산 하드웨어에 대한 연구가 필요합니다. 본 학과에서는 인공지능 기술의 모든 잠재력을 실현하기 위한 고성능, 고효율 인공지능 반도체 기술에 대한 연구를 수행하고 있습니다. 이러한 연구에는 신개념 반도체 소자, 회로, 그리고 새로운 시스템 아키텍쳐에 대한 연구를 포함합니다.

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스트리밍 서비스 및 클라우드 컴퓨팅의 활성화, 휴대용 전자기기, 자율주행자동차, 인공지능 기술의 급격한 발전은 메모리 반도체 수요의 증가로 나타나고 있습니다. 이로 인해, 메모리 반도체 시장은 계속 커져 가고 있습니다. 점점 커져가는 메모리 반도체 시장에서 우위를 확보하기 위해서는 차세대 메모리 반도체 연구가 필요합니다. 차세대 메모리 반도체 소자는 기존 메모리 소자들의 한계를 넘어 인공지능 및 고효율 컴퓨팅에 적합한 반도체 소자를 구현하는 것을 목표로 연구되고 있습니다. 대표적으로, 인공지능 관련 연산을 효율적으로 수행할 수 있는 차세대 메모리 소자 기반 뉴로모픽 소자와 초고속, 저전력, 고집적의 3차원 메모리 소자, 연산과 정보저장이 메모리에서 이루어져 훨씬 효율적인 인-메모리 컴퓨팅 등 차세대 고성능, 고효율의 메모리 소자를 개발하는 연구가 활발히 진행되고 있습니다.

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차세대 고집적 반도체

현대 과학 기술 발전의 원동력이었던 반도체 기술은 지속적인 미세화를 큰 축으로 진화해 왔습니다. 그동안 미세화는 성능과 전력소모, 가격 측면에서 모두 훌륭한 솔루션이었기 때문입니다. 그러나 점차 미세화 기술이 원자 수준에 가까워지고 있어, 새로운 혁신적 기술이 요구됩니다. 지금까지처럼 트랜지스터를 더 작게 만들고 성능과 전력 특성도 더욱 우수하게 만드는 연구를 지속함과 동시에 실리콘이 아닌 2차원 소재로 트랜지스터를 만들거나 3차원으로 소자를 쌓아서 기존에 하지 못했던 일을 할 수 있는 방법들을 연구합니다. 포항공대 반도체공학과는 반도체 소자의 초고집적화와 고속화, 저전력화를 통해 컴퓨팅, 인공지능, 자율주행 등의 4차 산업혁명의 기둥으로서 초미세화 공정, 소재, 새로운 개념의 소자와 회로 등을 연구하고 있습니다.

IoT 반도체/센서

다양한 데이터를 실시간으로 수집하여 우리에게 이로운 정보를 제공해주는 IoT 기반 센서가 널리 활용되고, 센서 시스템이 네트워크에 연결되어 시간적, 공간적인 제약을 받지 않는 초연결 사회가 구현되고 있습니다. 이러한 변화를 가속하기 위해서는 더욱 낮은 전력으로, 더욱 많은 수의 자극을 감지하고, 수집된 데이터를 빠르게 유용한 정보로 만들어내는 반도체가 필수적입니다. 최근에는 대형 데이터 센터 도움 없이 센서 단말기에서도 고성능 인공지능 연산을 진행하여 효율적으로 정보를 가공하는 방향으로 많은 연구 개발이 진행되고 있습니다.

사람의 눈으로 볼 수 있는 파장의 빛(가시광) 혹은 가시광 파장 범위를 넘어서는 빛의 제어는 반도체 물질과 소자의 중요한 기술분야입니다. 다양한 빛 정보의 활용은 디스플레이, 광 및 Image 센서 및 광소자 반도체 등의 기술로 분류될 수 있으며, 이러한 기술적 접근에 반도체 기술은 폭 넓고 핵심적인 역할을 담당하고 있습니다. 디스플레이 기술은 TV, Smart Phone, Tablet을 넘어 접거나(Foldable), 말리거나(Rollable), 화면이 늘어나는(Stretchable) 등의 자유로운 화면이 변화하는 형태로 사용자와 인터랙션하는 정보의 창(Information Window)으로 역할을 하며, 다양한 색의 빛과 위치 별 화소(Pixel) 제어를 위한 양자 및 Si 소자 반도체 기술이 적용되고 있으며, 최근에는 AR(Augmented Reality)등의 혼합현실을 위한 반도체 CMOS 소자에 직접 형성된 디스플레이 기술로 발전하고 있습니다. Image 센서 등으로 대표되는 광소자 반도체 기술은 System 반도체 기술의 가장 큰 접근 분야로, 외부의 빛과 색의 파장정보를 반도체 CMOS의 전기신호 기술로 변환하여 사람의 눈과 같은 역할을 하는 기술로 Smart Phone의 카메라, 자동차의 자율주행화 광센서 기술 등으로 System 반도체의 대표 기술입니다. 또한 최근에는 이러한 빛의 광 신호 제어와 반도체의 나노소자 기술을 이용하여, 광신호를 이용한 광반도체 및 소자 기술이 연구되고 있습니다.

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반도체 소자는 나노스케일링이 가속화되고 있어, 첨단 메모리와 로직 반도체의 초미세화 구현에 필요한 새로운 나노소재 기술 개발이 진행되고 있습니다. 나노크기 효과(100nm 보다 훨씬 작은 나노스케일에서 전기적 / 광학적 / 열적 / 화학적/ 물리적 고유 물성이 독특하게 변하는 현상)를 이용하여, 0차원, 1차원, 2차원, 3차원 형상의 나노소재가 다양하게 연구개발되고 있습니다. 이러한 나노 신소재는 새로운 트랜지스터 소자를 만드는 전공정(FEOL)과 소자동작에 필요한 배선을 만드는 첨단 후공정(BEOL), 반도체소자를 보호하는 첨단전자패키징에 모두 활용됩니다.

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현대 전자기기의 발전과 함께 스마트폰, 스마트 워치, 웨어러블 기기 등에 대한 수요가 급증하고 있습니다. 이에 따라 전통적인 실리콘 반도체에 대한 대안으로 유연성과 신축성을 가진 반도체에 대한 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 유연 / 신축성 반도체는 기존의 단단한 반도체와 달리, 디스플레이와 회로가 굽히거나 늘어나도 성능에 영향을 주지 않는 특성을 가지고 있습니다. 이러한 반도체는 자유자재로 구부리거나 휠 수 있는 rollable 또는 foldable 형태의 전자소자로 옷처럼 입고 다닐 수 있는 컴퓨터, 두루마리 형태의 태블릿 PC, 손목시계와 같이 착용 가능한 스마트폰 등 차세대 혁신적인 기기 개발을 가능하게 합니다. 최근 연구에서는 유기물을 이용한 유연한 반도체, 2차원 소재를 활용한 신축성 있는 반도체 등 기계적 변형에 강한 다양한 소재와 구조를 이용하여 신개념의 반도체를 개발하고 있습니다. 이러한 연구의 목표는 기존의 반도체 성능을 유지하면서 유연성과 신축성을 가진 기기 제작을 통해 일상생활에서 더욱 편리한 사용자 경험을 제공하는 것입니다.

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생채내 신호를 정밀하게 측정하고 이를 분석하기 위한 바이오반도체 솔루션은 인류의 삶을 다음 단계로 이끌 수 있는 핵심 기술입니다. 이를 위해서 신소자 기반 고효율 바이오센서, 초감도 아날로그 센싱회로, 초저전력 삽입형 컴퓨터 시스템 및 인공지능 기반 스마트 바이오신호처리 전반에 걸친 혁신적인 융합연구가 함께 이루어져야 합니다. 반도체공학과에서는 여기에서 한 발 더 나아가 국/내외 우수 병원들과의 협력연구를 통하여 바이오반도체 연구분야의 지평을 넓힐 수 있는 선도연구를 수행하고 있습니다.

양자컴퓨터를 이용하면, 우리가 일반적으로 사용하는 컴퓨터 혹은 슈퍼컴퓨터로 해결할 수 없는 매우 복잡한 문제들을 해결할 수 있습니다. 양자컴퓨터의 기본 연산 단위는 ‘큐비드’라고 불리는 양자 역학적인 중첩 상태이며, 초전도 물질, 이온트랩, 중성 원자 시스템이 이용됩니다. 현재 양자컴퓨터를 만들려는 연구가 세계적으로 매우 활발히 진행되고 있습니다. 정말 어려운 문제를 해결할 수 있는 양자컴퓨터를 개발하기 위해서는, 반도체공학, 물리학, 전자공학, 재료공학 등 다양한 학문간 연계가 필수적입니다.

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