- 빛으로 동작하는 페로브스카이트 광-논리소자 개발

- 하나의 광-논리소자로 5개의 기본 논리연산을 모두 구현 가능

최근 인공지능, 자율주행 자동차, 드론, 메타버스 기술이 미래 먹거리 산업으로 주목받으면서 수많은 정보를 빠르게 계산하고 처리할 수 있는 컴퓨터에 대한 수요가 폭발적으로 증가하고 있다. 그런데 오늘날 컴퓨터의 두뇌 역할을 하는 전자식 반도체 논리소자는 초고속 데이터 계산 및 처리능력에 한계가 있으며, 에너지 소모가 크고 열이 많이 발생하는 단점이 있다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)는 센서시스템연구센터 박유신 박사 연구팀이 광주과학기술원(GIST, 총장 김기선) 신소재공학부 정건영 교수 연구팀과 함께 유·무기 페로브스카이트 소재를 이용해 빛으로 동작하는 초고속, 고효율 광-논리소자를 개발했다고 밝혔다.

광-논리소자는 물리적으로 에너지 손실이 작은 빛을 입력 신호로 이용하고, 전기 공급 없이 빛 에너지만으로 동작할 수 있어 초고속·고효율의 특성을 가진다. 연구진은 두 층의 페로브스카이트 박막을 샌드위치처럼 쌓아 올린 적층형 페로브스카이트 광-논리소자를 구현하고, 여기에 파장과 세기가 다른 두 개의 빛을 입력하면 원하는 이진수  한 개 혹은 두 개의 이진수에 적용되는 연산으로, 정해진 규칙에 따라 결과값을 도출하는 체계를 의미한다. 

논리연산이 가능함을 입증했다.

페로브스카이트 광-논리소자는 빛을 이용해 광전류의 극성을 자유자재로 바꿀 수 있으므로 같은 입력값에 대해 한 가지 이상의 논리연산 결과 값을 만들어 내는 것이 가능하다. 따라서 하나의 소자에서 오직 한 개의 논리연산만 할 수 있었던 기존 논리소자에 비해, 연구진이 개발한 것은 하나의 소자로 AND, OR, NAND, NOR, NOT의 5가지의 서로 다른 기본 논리연산을 모두 구현할 수 있다. 하나의 소자가 다섯 개 소자만큼의 기능을 하므로 높은 공간효율성과 집적도를 가지는 광-프로세서 개발이 가능하다.

KIST 박유신 박사는 “빛을 입력하여 전기신호를 출력하는 페로브스카이트 광-논리소자는 향후 초소형·저전력 범용성 광센서 플랫폼으로 활용이 기대된다”고 밝혔다. GIST 정건영 교수는 “본 연구를 통해 개발한 광-논리소자는 5가지 기본 논리연산을 하나의 소자로 구현한 광 컴퓨팅 연구개발의 성과이며, 차세대 광통신, 광네트워크, 헬스케어 연구개발에 크게 기여할 수 있을 것이다”라고 기대했다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙)의 지원으로 KIST 기본사업, 한국연구재단 중견연구자지원사업을 통해 수행되었으며, 연구결과는 국제 학술지 ‘Nature Communications’ (IF 14.919, JCR 분야 상위 4.86%) 최신호에 게재되었다.

 * (논문명) Perovskite Multifunctional Logic Gates via Bipolar Photoresponse of Single Photodetector

    - (제 1저자) 한국과학기술연구원(KIST) 김우철 박사후연구원

    - (제 1저자) 퍼듀대학교(Purdue University) 김형훈 박사후연구원

    - (교신저자) 광주과학기술원(GIST) 정건영 교수

    - (교신저자) 한국과학기술연구원(KIST) 박유신 선임연구원

그림 설명

 [그림 1] 페로브스카이트 광-논리소자의 모식도와 OR, AND, NAND, NOR, NOT의 논리연산 결과

 [그림 2] 페로브스카이트 광-논리소자를 활용한 광컴퓨터용 광-프로세서 칩의 컨셉 아트