전자전기공학부 소속 박진홍 교수(교신저자)와 심재우 박사과정 대학원생(제1저자)이 '0'과 '1'만을 사용했던 기존 2진법 반도체 소자/회로 대비 처리속도는 올리고 소비전력은 줄일 수 있는 신개념 광(光) 응답형 3진법 반도체 소자/회로 기술을 개발했다.

정보화 3세대로 일컬어지는 사물인터넷(IoT) 기반 초연결 미래사회에는 사람과 사물들이 인터넷 네트워크를 통해 서로 긴밀하게 연결될 것으로 예상된다. 이로 인해 정보처리 수요량은 폭증할 것으로 예상되며, 데이터의 전송, 연산, 응용에 엄청난 에너지가 소모될 것으로 보인다. 그러나 현재의 기술개발 추세로는 미래 에너지 수요를 감당할 수 없dj 초저전력, 고성능 소자/회로를 구현하기 위한 기술적 패러다임의 전환이 필요하다.

3개 이상의 논리상태('0', '1', '2', '3' 등)를 표현할 수 있는 다진법 논리소자 및 회로의 경우, '0'과 '1'만을 사용하는 기존 2진법 논리시스템에 비해 소자 간 배선 및 소자의 수를 크게 줄일 수 있어 동일한 양의 정보처리 작업을 절반 이하의 소비전력으로 수행할 수 있다. 이러한 다진법 논리소자의 구현을 위해서는 다양한 종류의 이종접합구조체가 요구되는데, 최근 많은 관심을 받고 있는 2차원 반데르발스 물질은 불완전 결합과 같은 표면 결함이 거의 존재하지 않아 단순 적층공정을 통해 다진법 논리소자에 활용 가능한 다양한 이종접합구조체들을 쉽게 형성할 수 있다.

연구팀은 2차원 반데르발스 물질인 그래핀*과 이셀레늄화텅스텐(WSe2)*를 수직으로 쌓아 빛에 의해 유도되는 부성미분전달컨덕턴스(light-induced negative differential transconductance: L-NDT) 현상을 최초로 발견하고 이를 활용하여 다진법 전자소자를 새롭게 제작했다. 개발된 부성미분전달컨덕턴스 특성소자는 빛을 조사했을 때 특정 전압 구간들에서 전압 증가에 따라 전류가 감소하는 특이한 특성을 보여 마치 여러 개의 문턱전압을 갖는 트랜지스터와 같았다. 연구팀은 2차원 반데르발스 물질 기반 부성미분전달컨덕턴스 특성소자와 p형 트랜지스터를 집적하여 2개의 소자만으로 3개의 안정적인 논리상태 ('0', '1', '2')를 갖는 3진 인버터* 회로를 구현하는데 성공했다. 참고로 기존의 2진법 기반 CMOS* 소자 기술을 이용하면, 3개의 논리 상태를 갖는 회로를 구현하기 위해 최소 9개 이상의 소자가 필요했다.

*그래핀: 탄소원자로 이루어져 있으며, 원자크기만큼 얇고 높은 강도, 유연성, 투명도, 그리고 전하 이동도의 특성으로 인해 차세대 나노 물질로 각광받고 있다.

*이셀레늄화텅스텐(WSe2): 전이금속 칼코겐 화합물. 그래핀과 유사하게 나노판상 구조를 갖지만 밴드갭이 존재하는 반도체 물질이다.

*인버터: 로직상태 '1'을 '0'으로 혹은 '0'을 '1'로 바꾸어 주는 최소 단위 로직회로이다.

*CMOS(Complementary metal-oxide-semiconductor): p채널과 n채널 MOSFET으로 구성된 집적회로이다.

박진홍 교수는 "이번 연구성과는 기존 2진법 기반 전자소자/회로의 패러다임을 뛰어넘어 소비전력을 줄이고, 성능을 향상시킬 수 있는 신개념 광 응답형 3진법 소자/회로를 개발한 것이다. 이는 초연결사회 실현에 필수적인 전자기기의 고속화, 고집적화, 저전력화와 같은 요구사항을 만족시킬 수 있는 핵심원천기술이 될 것으로 기대한다."라고 연구의 의의를 설명했다.