(왼쪽부터) 국립부경대 이지열 교수, 인하대 이근형 교수, 박동현 박사과정생.

국립부경대학교 이지열 교수(공과대학 차세대반도체공학전공)가 하나의 고분자반도체만으로 세 가지 논리 상태를 구현하는 3진 논리소자를 개발해 주목받고 있다.

이 교수는 인하대학교 이근형 교수(화학·화학공학융합학과) 연구팀과 공동연구를 통해, 복잡한 이종접합 구조 없이 단일 고분자반도체에서 ‘0’, ‘1’, ‘2’의 세 가지 상태를 명확하게 구분하는 3진 인버터를 구현했다.

현재의 디지털 전자기기는 ‘0’과 ‘1’ 두 가지 상태를 사용하는 이진 논리를 기반으로 한다. 반면 다진 논리(Multi-Valued Logic)는 하나의 소자에서 세 가지 이상의 논리 상태를 구현해 정보 밀도를 높이고 소자와 배선의 수를 줄일 수 있어, ‘무어의 법칙(Moore‘s Law)’의 한계를 극복할 차세대 컴퓨팅 기술로 주목받고 있다. 하지만 기존 다진 논리소자는 주로 서로 다른 반도체를 결합한 이종접합 구조를 이용해 제작 공정이 복잡하다는 단점이 있다.

공동연구팀은 고분자반도체에서 정전기적 도핑과 전기화학적 도핑이 순차적으로 일어나는 현상을 이용해 이 문제를 해결했다. 낮은 전압에서는 이온의 침투가 제한돼 반도체 표면에서 정전기적 도핑이 일어나고, 높은 전압에서는 이온이 내부로 침투하면서 전기화학적 도핑이 진행된다. 연구팀은 이 두 과정 사이에서 전압이 변해도 전류가 거의 일정하게 유지되는 안정적인 중간 전도 상태가 형성되는 것을 확인했다.

연구팀이 실제 소자 특성을 반영해 MNIST 손글씨 숫자 인식을 수행한 결과, 3진 신경망은 89.3%의 정확도를 기록해 이진 신경망(74.1%)보다 높은 성능을 보였다.

이 연구 결과를 담은 논문 ‘Single-Polymer Multi-Valued Logic Enabled by Sequential Electrostatic-to-Electrochemical Doping’은 재료과학 분야 국제학술지 『Advanced Functional Materials』 36권 44호에 10월 1일 자로 게재됐다. 이 논문에는 국립부경대 이지열 교수와 인하대 이근형 교수가 교신저자로, 인하대 박동현 박사과정생이 제1저자로 참여했다.

이지열 교수는 “이번 연구에서는 고분자반도체에서 일어나는 두 가지 도핑 현상을 순차적으로 제어해 안정적인 중간 논리 상태를 구현했다. 이를 통해 이 기술이 차세대 저전력 신경망 컴퓨팅의 기반 기술로 활용될 수 있음을 입증했다”라고 말했다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단 기초연구사업과 산업통상부 산업혁신인재성장지원사업(고부가첨단석유화학소재전문인력양성)의 지원을 받아 수행됐다.