“삼진법 연산이 가능한 원편광 소자(素子) 중 세계 최고 성능을 달성했습니다. 이를 바탕으로 뉴로모픽 반도체나 뇌·컴퓨터인터페이스(BCI)용 차세대 반도체 개발에 도전할 계획입니다.”
과학기술정보통신부가 주최하고 한국연구재단과 서울경제신문이 공동 주관하는 ‘이달의 과학기술인상’ 4월 수상자로 선정된 오준학 서울대 화학생물공학부 교수는 차세대 반도체로 꼽히는 원편광 소자 연구를 앞세워 국산 기술력 혁신에 앞장서겠다고 강조했다. 특히 이번 신기술이 인간의 뇌를 닮은 구조로 인공지능(AI) 연산에 특화한 뉴로모픽 반도체와 일론 머스크의 ‘뉴럴링크’처럼 뇌와 컴퓨터를 연결해 사용자의 생각으로 전자기기를 제어하는 BCI용 반도체 등 차세대 반도체 개발에 응용될 것이라는 설명이다.
오 교수 연구팀은 원편광 소자로 활용될 수 있는 키랄 유기 광전자 소자를 개발하고 동종 소자 중 최고 성능을 달성한 연구 성과를 2023년 5월 국제 학술지 ‘네이처’에 발표한 후 다양한 차세대 반도체 응용을 위한 후속 연구를 진행하고 있다. 원편광 소자는 원편광이라는 빛의 성질을 활용해 기존 반도체보다 한 번에 더 많은 정보 처리가 가능한 반도체 소자다.
편광은 일종의 빛의 ‘결’이다. 빛은 전기와 자기가 교차하며 진동하는 ‘전자기파’이다. 빛이 360도 모든 방향이 아니라 특정한 한 방향으로만 진동하는 현상을 편광이라고 한다. 일상의 예로 선글라스는 렌즈에 가로 방향으로 일종의 미세한 결이 쳐져 있어 같은 가로 방향의 편광만 눈으로 통과시키고 세로 방향의 편광은 차단함으로써 빛의 양을 줄이는 원리를 갖는다. 원편광은 편광이 회전하는 현상이다. 원편광된 빛은 전기와 자기가 꽈배기(나선형) 형태로 진동하며 앞으로 나아간다.
원편광 현상을 활용하는 원편광 소자는 기존 반도체의 0과 1 디지털(이진법) 연산을 넘어 3개의 숫자를 다루는 삼진법 연산을 구현할 수 있어 학계의 주목을 받고 있다. 오 교수는 “원편광 소자는 빛의 회전, 즉 원편광 방향에도 정보를 담을 수 있다”며 “기존 광반도체 소자는 빛이 감지되면 1, 감지되지 않으면 0의 이진법 정보를 인식하는 방식이라면 원편광 소자는 빛의 원편광이 시계 방향인지 반시계 방향인지에 따라 다시 +1과 -1을 구분해 총 3개의 숫자 정보를 인식할 수 있다”고 설명했다.
원편광 소자는 이 같은 장점에도 불구하고 편광판과 위상지연판 같은 추가 장치가 필요해 소자를 소형화할 수 없다는 한계가 있었다. 연구팀은 ‘키랄성’에서 해답을 찾았다. 키랄성은 물질 구조가 오른손과 왼손처럼 모양은 같지만 서로 좌우가 반대라서 겹쳐질 수는 없는 성질이다. 키랄성을 가진 물질이란 좌우 구조가 서로 반대인 두 종류로 구성된 물질을 말한다. 키랄성 관계의 두 종류 물질은 끓는점 같은 대부분의 물리·화학적 성질이 서로 같지만 빛의 원편광 방향은 다르게 받아들인다. 이런 물질로 반도체 소자를 만들면 입력되는 빛의 원편광이 시계 방향인지 반시계 방향인지 감지할 수 있고 이를 통해 +1과 -1을 구분, 빛이 없을 때의 0까지 삼진법 계산을 할 수 있다는 게 오 교수의 설명이다.
키랄성 물질 역시 제작 비용이 높다는 한계가 있는데 연구팀의 키랄 유기 광전자 소재가 이를 해결할 수 있다는 게 연구팀의 설명이다. 이 소재는 키랄성 물질 중에서도 2개 이상이 분자들이 느슨하게 결합돼 한 몸처럼 행동하는 ‘초분자’로 이뤄진 물질인데 이를 소자로 만들면 제작 공정을 더 단순화할 수 있다는 것이다. 오 교수는 “삼진법 기반의 광통신 시스템을 구현해 이진법 광통신 대비 67% 빠른 정보 처리가 가능하다는 것을 확인했다”며 “암호화한 정보를 전달하고 실시간 감지할 수 있는 대면적 센서 형태의 시제품 제작에도 성공했다”고 전했다.
오 교수는 기존 실리콘 같은 무기물질이 아니라 유기물질로 만든 반도체 소자라는 점도 강조했다. 그는 “무기물질과 달리 인체를 이루는 물질들과 비슷한 유기물질로 만들어졌기 때문에 생체 친화적”이라며 “뇌에 심는 BCI 반도체나 초정밀 암 진단 센서 등 다양한 바이오일렉트로닉스(바이오 특화 전자공학) 기술로 유용하게 쓰일 것으로 보고 후속 연구를 진행 중”이라고 덧붙였다. 현재 전기 제어로 정보를 처리하는 반도체 대신 빛으로 정보를 처리하는 광반도체, 이른바 실리콘포토닉스 기술 상용화도 앞당길 것으로 기대된다.
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