선정된 표지 이미지와 (왼쪽 상단부터)가천대 박태현 연구교수, 한영민 박사과정생, 경상국립대 이선정 석사과정생, 경상국립대 화학과 김윤희 교수, 가천대 반도체 공학과 유호천 교수.(사진=경상국립대 제공)

경상국립대학교는 자연과학대학 화학과 김윤희 교수와 가천대학교 반도체 공학과 유호천 교수 공동 연구팀이 광학 신호를 활용해 연산과 데이터 저장이 동시에 가능한 차세대 광전자식 프로세싱 인 메모리(Processing in memory, PIM) 소자를 개발했다고 밝혔다.

PIM 소자는 메모리 영역에서 데이터 연산이 가능해 처리 속도와 전력 소모량을 획기적으로 개선할 수 있는 차세대 컴퓨팅 소자로 챗지피티(ChatGPT) 및 초거대 인공지능 인프라를 위한 핵심 기술로 기대를 모으고 있다.

기존 PIM 소자는 대부분 0 혹은 1의 2가지 상태만 저장과 프로세싱이 가능했으나 공동 연구진이 발표한 차세대 소자는 0, 1, 2, 및 3의 4가지 신호를 저장하고 처리할 수 있다.

이번에 공동 연구팀이 발표한 광전자식 PIM 소자는 메모리 동작 시 다파장 영역의 광학 신호를 인가하면 파장에 따라 저장되는 전하의 양을 조절할 수 있는 새로운 소자이다.

공동 연구팀은 다중 상태의 신호 저장과 처리를 위해 신호 저장을 위한 플로팅 게이트 물질로 광대역 광반응성을 갖춘 고분자를 개발해 도입했다. 이 경우 트랜지스터 반도체 물질과 플로팅 게이트 물질의 광학적 성질에 따라 4가지 출력 상태를 유도할 수 있게 됨으로써 기존 소자들에 비해 확장된 저장 능력과 광신호 검출 능력을 갖출 수 있다.

나아가 공동 연구팀은 유기 반도체의 재료적 특성인 자체적인 유연성에 주목해 명함 위에서도 동작이 가능한 광전자식 메모리를 구현했다. 제작된 소자는 100회 이상의 기계적 구부림 환경에서도 90% 이상의 성능을 유지함으로써 차세대 PIM 소자의 유연 플랫폼으로의 적용 가능성을 검증했다.

유호천 교수와 김윤희 교수는 “이번 연구 결과는 최근 주목받고 있는 PIM 기술의 확장을 보여준 연구 결과”라고 말하고 “재료와 소자를 통합적으로 아우르는 연구 접근 방식을 통해 다중 상태 저장이 가능한 광전자식 PIM 소자 플랫폼을 성공적으로 구현한 사례”라는 의견을 밝혔다.

이번 연구 결과는 그 성과를 인정받아 나노 과학 기술분야 세계권위 학술지인 '나노레터스(Nano Letters)'(Impact factor: 10.8)에 게재됐다. (논문명: Wavelength-Dependent Multi-State Programmability and Optoelectronic Logic-in-Memory Operation from Narrow Bandgap pNDI-SVS Floating Gate).