(왼쪽부터)경상국립대 박준홍 교수(교신저자), 김형태 학생(공동 제1저자), 소므나트 수하스 쿤달레(Somnath Suhas Kundale) 박사(공동 제1저자), 저널 표지 이미지.(사진=경상국립대 제공)

국내 연구진에 의해 빛 신호로만 구동해 단일 소자 규모에서 논리 연산을 구현하는 대면적 반도체 소재 기술이 개발됐다.

경상국립대학교는 나노·신소재공학부 박준홍 교수팀이 밀리미터 규모로 균질 합성된 이차원 반도체 소재를 활용해 서로 다른 파장대 빛을 신호로 동시 입력해 논리 연산을 구현하는 데 성공했다고 7일 밝혔다.

현대 사회는 이미지 및 영상 등 대량으로 쏟아지는 데이터를 처리하기 위해 고효율이면서도 콤팩트화해 개인이 활용 가능한 시스템 개발이 요구되고 있으며 인간의 시각 기능과 유사하게 이미징-처리 기술에 대한 수요가 폭발적이다. 하지만 현존 정보 처리 시스템은 이미징 정보를 0과 1의 디지털 신호로 바꿔 처리하는 변환 과정이 필요해 막대한 데이터 처리 수요를 감당하기에 역부족이다.

연구팀은 화학 기상 증착법으로 성장시킨 밀리미터 규모의 p형 WSe2(텅스텐 디셀레나이드) 반도체 소재를 균질 합성해 빛으로 제어되는 광게이팅 트랜지스터를 구현했다.

기존의 트랜지스터가 유전체 층에 전기장을 가해 제어되는 것과 달리 이 광게이팅 트렌지스터는 빛의 세기와 펄스 변조에 따라 다양한 동작 모드를 보인다. 특히 빛의 세기 임계값 이상에서는 ‘AND’와 ‘OR’ 등 논리 연산을 구현하는 데 성공했다. 더 나아가 펄스 형태의 광 신호 변조를 통해 신경망 구동으로 전환도 가능했다.

이 기술의 가장 큰 장점은 열 노이즈나 복잡한 미세공정 없이도 고성능의 다기능 트랜지스터를 구현할 수 있다는 점이다. 이는 기존 정전기 게이팅 방식의 광전자 트랜지스터가 가진 한계를 극복한 것으로 평가된다.

연구팀은 “이번에 개발된 광게이팅 반도체 기술은 정전기 구동의 광학적으로 작동되는 인센서 컴퓨팅 하드웨어 제작에 큰 도움이 될 것”이라며 “다중 모달 인터페이스와 인공지능 구현에 적합한 다기능성을 제공할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

이번 연구결과는 재료 분야 저명 국제학술지 '에이시에스 머티리얼즈 레터(ACS Materials letters)'(IF: 9.6)에 ‘화학 기상 증착법에 의해 성장된 밀리미터 스케일 전이 금속 디칼코게나이드 기반 광 게이트 트랜지스터의 다중 모드 동작(Multimode operation of light-gated transistors based on millimeter-scale transition-metal dichalcogenide grown by chemical vapor deposition)’이라는 제목으로 지난 5일 온라인 게재됐다. 이 연구는 과학기술정보통신부 주관의 국가반도체연구실 사업과 우수신진연구 사업의 지원으로 수행했다.