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2019 봄호 / 지식더하기 Ⅰ/ 숨겨진 회로 소자, 멤리스터

2019-04-18 59

숨겨진 회로 소자, 멤리스터

멤리스터 잃어버린 회로소자 이미지

이미지출처 https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=3581226&cid=58941&categoryId=58960

포스테키안 구독자들 여러분 모두 회로에 대해 잘 아시나요? 회로에서 주어지는 소자 중에는 대표적으로 전원, 저항, 축전기(커패시터), 유도자(인덕터) 등이 있죠. 그런데 수학적으로는 그 존재가 증명되었지만, 아직 개발되지 않은 소자인 ‘멤리스터(Memristor)’가 있다는 사실을 알고 있었나요? 이번 지식더하기 코너에서는 숨겨진 회로 소자, 멤리스터에 대해 알아보겠습니다.

멤리스터에 대해 본격적으로 알아보기 전, 전자회로의 수동소자에 대해 알아보도록 하겠습니다. 수동소자란 공급된 전력을 소비·축적·방출하는 소자로 증폭, 정류 등의 능동적 기능을 하지 못하는 소자를 말합니다. 대표적인 수동소자로는 저항, 축전기, 유도자등이 있죠. 이러한 수동소자 간에는 수학적인 연관성과 대칭성이 존재합니다. 이 관계를 바탕으로 멤리스터라는 소자의 존재성이 주장되었죠. 그러면 멤리스터의 존재가 어떠한 근거를 바탕으로 제시되었는지 수동소자 간의 수학적인 관계를 통해 알아보겠습니다.

전자회로에는 네 가지 기본 변수가 존재합니다. 이는 전류(I), 전압(V), 전하(q), 전압의 플럭스(Φ)죠. 플럭스라는 단어가 여러분들에게 많이 생소하실 텐데요, 플럭스란 공간에서의 어떤 물리적 성질의 흐름을 의미합니다. 회로를 분석할 때의 플럭스는 시간에 따른 전압의 합(Φ=V·t)이라고 생각하면 좋을 것 같습니다. 이러한 기본 변수의 조합을 통해 수동소자의 물리량을 결정할 수 있습니다. 예를 들면, 여러분들에게 가장 익숙한 저항은 전압(V)과 전류(I)의 관계를 통해 정의됩니다. 이것이 그 유명한 옴의 법칙(V=IR)이죠. 전압(V)과 전하량(Q) 사이에서는 축전기의 물리량인 전기용량(C)이 정의됩니다(Q=CV). 그리고 인덕터의 물리량인 인덕턴스(L)는 플럭스(Φ)와 전류(I)의 관계로 정의됩니다(Φ=LI). 위에서 살펴본 저항, 축전기, 인덕터의 관계식을 미분해보면 사진과 같은 관계가 성립함을 알 수 있습니다. 또한, 기본 변수인 전류와 전하량, 전압과 플럭스 사이에서도 수학적인 관계가 있음을 알 수 있죠.

여기서 채우지 못한 하나의 관계식이 있는 것을 찾으실 수 있었을 겁니다. 바로 플럭스와 전하의 관계입니다. 평소 물리계의 대칭성을 중요시했던 레온 추아 교수가 1971년에 이러한 수학적인 추론을 바탕으로 멤리스터의 존재를 처음으로 주장했습니다. 수학적인 관계에 따라 멤리스터는 전하의 변화(dQ)에 따라 플럭스가 변하는(dΦ) 성질을 갖는 소자입니다. 이에 따라 멤리스터의 전기적 저항은 해당 멤리스터를 통해 이전에 흘렀던 전류에 따라 달라집니다. 또한, 전력 공급이 중단될 경우 멤리스터는 그 시점에서의 저항을 유지한다는 특성을 가집니다.

 흘러간 전류의 양을 기억한다는 비휘발성인 특징은 우리의 뇌와 상당히 비슷한 면모를 가지고 있습니다. 우리의 뇌는 어떠한 사실을 기억할 때 관련된 시냅스의 활성이 높아지고 이는 해당 뉴런의 연결을 강화합니다. 이러한 연결 관계를 전원이 공급되지 않아도 입력된 정보를 저장할 수 있는 특징을 가진 멤리스터로 구현할 수 있다는 가능성을 본 공학자들은 멤리스터를 주목하기 시작했습니다. 특히 사람의 뇌 신경을 모방한 차세대 반도체인 뉴로모픽 칩을 연구하는 분야에서 멤리스터에 대해 크게 관심을 보였습니다.

하지만 멤리스터는 자연에서 발견되지 않았다는 가장 큰 문제점을 가지고 있었습니다. 그렇게 멤리스터에 관한 관심은 사그라드는 듯했지만 2008년에 HP에서 멤리스터를 개발했다고 발표했습니다. HP에서 개발한 멤리스터는 전류에 따라 저항이 변하는 소자였습니다. 이전의 저항을 기억하는 소자를 개발했다는 점에서 산업적으로 유용하게 쓰일 수 있으나 멤리스터의 물리적 특성인 플럭스와 전하의 관계를 구현하지 못했다는 점에서 완벽한 멤리스터라고 보기는 힘듭니다.

아직 발견되지 않은 멤리스터를 찾을 수만 있다면 전자회로를 이용하는 모든 산업계에 혁신적인 발전이 있을 것으로 예측됩니다.  여러분들이 어쩌면 먼 미래에 멤리스터를 실제로 만들어낼 수 있지 않을까요?

알리미 24기 무은재학부 18학번 현진
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