KIST, 빛으로 동작하는 광-논리소자 개발

[아이뉴스24 최상국 기자] 광컴퓨터 시대를 앞당길 수 있는 연구결과가 소개됐다. 한국과학기술연구원(KIST)은 빛으로 동작하는 광-논리소자를 개발해 하나의 논리소자에서 5가지 논리연산을 모두 구현하는 데 성공했다고 밝혔다.

23일 KIST 센서시스템연구센터 박유신 박사 연구팀은 광주과학기술원(GIST) 신소재공학부 정건영 교수 연구팀과 함께 유·무기 페로브스카이트 소재를 이용해 빛으로 동작하는 초고속, 고효율 광-논리소자를 개발했다고 발표했다.

페로브스카이트는 ABX3 결정구조를 가진 광-반도체 소재다. 빛을 흡수해 전기에너지를 만들 수 있는 특성을 가져 태양전지, 광센서, LED 등에 활용하려는 연구가 활발하다.

광-논리소자는 물리적으로 에너지 손실이 작은 빛을 입력 신호로 이용하고, 전기 공급 없이 빛 에너지만으로 동작할 수 있어 현재의 전자식 반도체에 비해 초고속·고효율화가 가능하다.

연구진은 섯로 다른 조성의 페로브스카이트 박막을 샌드위치처럼 겹쳐 쌓은 적층형 페로브스카이트 광-논리소자를 구현했다. 여기에 파장과 세기가 다른 두 개의 빛을 입력하면 원하는 이진수 논리연산이 가능함을 보였다.

연구팀의 설명에 따르면 개발된 광-논리소자는 페로브스카이트의 원소 조성에 따라 각각 가시광선(400~700 nm 파장), 근적외선 (700~1050 nm 파장) 영역의 빛을 흡수할 수 있다. 흡수된 빛은 파장에 따라 서로 다른 극성을 통해 추출되는데 이를 양극성 광 반응이라 한다. 이러한 양극성 광 반응의 특성을 이용해 페로브스카이트 광-논리소자는 빛의 파장, 세기에 따라 추출되는 광전류를 쉽게 제어할 수 있다.

따라서 하나의 소자에서 오직 한 개의 논리연산만 할 수 있었던 기존 논리소자에 비해, 하나의 소자로 AND, OR, NAND, NOR, NOT 등 5가지의 서로 다른 기본 논리연산을 모두 구현할 수 있다. 하나의 소자가 다섯 개 소자만큼의 기능을 하므로 높은 공간효율성과 집적도를 가지는 광-프로세서 개발이 가능해진다는 설명이다.

연구진은 “빛을 입력하여 전기신호를 출력하는 페로브스카이트 광-논리소자는 향후 초소형·저전력 범용성 광센서 플랫폼으로 활용이 기대된다. 또한, 양극성 광 반응을 통한 컴퓨팅 개념은 광컴퓨터뿐만 아니라 차세대 광통신, 광네크워크, 빛을 이용한 암호화, 헬스케어 분야로도 널리 활용될 것으로 기대된다"고 밝혔다.

이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구자지원사업을 통해 수행됐으며, 연구결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈' 최신호에 게재됐다.

◇논문명 : Perovskite Multifunctional Logic Gates via Bipolar Photoresponse of Single Photodetector

◇저자 : KIST 김우철 박사후연구원, 퍼듀대학교 김형훈 박사후연구원(이상 제1저자), GIST 정건영 교수, KIST 박유신 선임연구원(이상 교신저자)