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전자공학과 박성준 교수 공동 연구팀이 높은 동작 범위와 채널 전도도를 갖는 IGZO 뉴로모픽 전자소자를 개발하는 데 성공했다. 이 전자소자를 활용하면 차세대 기술로 주목받고 있는 뉴로모픽 반도체 기술에 적용이 가능할 전망이다. 박성준 교수(전자공학과, 사진 오른쪽)는 세계 최고 수준의 높은 동작 범위(dynamic range)와 채널 전도도(channel conductance)를 갖는 IGZO 뉴로모픽 전자소자를 개발했다고 밝혔다. 해당 논문은 '초-동적범위 IGZO 뉴로모픽 트랜지스터(Ultra-large dynamic range synaptic indium gallium zinc oxide transistors)'라는 제목으로 국제 저명 학술지 <어플라이드 머터리얼스 투데이(Applied materials today)> 온라인판에 게재됐다. 이번 연구에는 아주대 전자공학과 석사과정의 곽태현 학생(사진 왼쪽)과 한국화학연구소(KRICT) 김명진 박사, 미국 퍼듀대 이원준 박사가 공동 제1저자로 참여했다. 박성준 아주대 교수와 한국화학연구소화학소재연구본부 고기능고분자연구센터의 김용석 센터장은 공동교신저자로, 한국화학연구소 김은채 연구원, 고려대 왕건욱 교수·장진곤 박사, 전북대 김태욱 교수는 공동저자로 참여했다.IGZO(InGaZnO, 인듐갈륨아연산화물)는 디스플레이 산업에서 널리 활용되고 있는 화합물 반도체로, 고사양의 OLED(유기 발광 다이오드) 구동소자로 쓰이고 있다. 아주대 연구팀은 IGZO와 다양한 산화물을 기반으로, 기능성 반도체와 인간 신경구조와 유사한 뉴로모픽(Neuromorphic) 전자소자를 연구해왔다. 차세대 기술로 주목받고 있는 뉴로모픽 전자소자는 인간의 뇌와 같이 연산과 저장을 동시에 할 수 있어 전력 소모가 적고 연산 속도가 빠르다. 사물 인터넷, 자율 주행 등에의 폭넓은 활용을 위해서는 데이터 처리가 빠르고 효율적인 반도체가 필요하기에 최근 산업계에서는 뉴로모픽 반도체를 주목해왔다.뉴로모픽 소자의 전기적 매개변수 중 ▲동적 범위와 ▲채널 전도도는 데이터 저장의 가용 범위 및 데이터 전달을 위한 신호강도를 의미하며, 대규모 병렬 데이터 처리를 위해서는 동시에 높은 수치의 값을 확보하는 것이 중요하다. 기존의 뉴로모픽 전자장치는 반도체 혹은 절연체의 고유 특성으로 인해 동작 범위와 전도도가 낮다는 한계를 보여왔다. 이에 데이터 송수신 시 낮은 데이터 신호 강도로 인해 데이터 증폭을 위한 전력 소모가 많고, 잡음(노이즈)에 의해 계산의 정확도가 낮아지는 원인이 되어 왔다. 이를 개선하기 위해 그동안 학계에서는 여러 방안을 연구·적용해왔다. 계면 전자 트랩 효과, 강자성 절연체 사용, 전해질 이온 기반 동작 등과 같은 기존의 방법들은 데이터 저장 시간이 길지 못하고, 장기적 구동 시 채널 물질과 절연체의 특성 변화로 인해 요구 수준 이상의 동작 범위와 채널 전도도를 만족시키지 못했다. 공동 연구팀은 합성된 고분자 절연체층을 자외선 환경에서 광가교(photo-crosslink, 빛을 이용해 고분자를 서로 연결(cross-linking)시키는 화학 반응) 할 때 첨가되는 가교제의 양에 따라 내부 수산기(hydroxyl group, 수소와 산소로 이루어진 작용기 -OH)의 양이 변하는 현상에 주목했다. 연구팀은 자외선 광에너지와 극성 용매가 수산기를 증가시키는 한편 필름의 결합력도 높여 내·외부 환경 및 화학적 안정성을 동시에 향상시킨다는 사실을 규명해냈다. 이를 바탕으로 높은 동작 범위를 확보하고, 구동 안정성이 높은 IGZO 뉴로모픽 소자를 개발하는 데 성공했다. 이에 뉴로모픽 반도체 연구 개발을 진행 중인 화학·반도체 소재 및 응용 분야 산업계에서 높은 관심을 받을 것으로 전망된다.박성준 교수는 "이번 연구는 세계 최고 수준의 동적 범위와 채널 전도도를 동시에 만족하는 뉴로모픽 전자소자를 성공적으로 개발했다는 데 그 의의가 있다"며 "화학소재 합성 및 반도체 공학의 융합기술로, 앞으로 AI 알고리즘을 동반한 사물인터넷(IoT) 기술, 가상화(AR, VR, XR) 기술, 의료 빅데이터 분석 및 진단 등에 널리 활용될 것으로 기대한다"고 전했다.한편 이번 연구는 한국전력공사 사외공모 기초연구사업, 과학기술정보통신부 한국연구재단(기본연구, 기초연구실, 이공학학술연구기반구축, 미래소재디스커버리사업, 대학ICT연구센터지원사업 (ITRC)), 산업통상자원부(K-센서 기술개발사업), 산업통상자원부(바이오 융복합기술 전문인력양성 사업)의 지원으로 수행되었다.<신경전달 물질을 통해 시냅스 가소성이 변화하는 원리와 연구팀이 제안한 인공 뉴런 소자 개념도>
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우리 대학 연구진이 초박막형 두께로 전자기파의 주파수를 고효율로 변환시킬 수 있는 소재를 개발했다. 사람 머리카락 굵기의 10분의 1 수준에 해당하는 두께로, 이 소재 설계 기술을 이용하면 레이저와 통신 등을 위한 다양한 광학 변환 소재의 개발이 가능해질 전망이다. 권오필 아주대 교수(응용화학생명공학과·대학원 분자과학기술학과, 사진 왼쪽)와 이상민 한국과학기술원(KAIST) 교수(물리학과, 사진 오른쪽) 연구팀은 기존 광학결정의 비선형성을 월등히 뛰어넘는 새로운 양이온과 이에 적합한 음이온을 도입하는 새로운 결정 기술을 적용하여, 기존에 없던 극한의 비선형광학 특성을 가지는 유기결정을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구 성과는 소재 분야 저명 학술지인 <어드밴스드 펑셔널 매터리얼즈(Advanced Functional Materials)> 온라인판에 게재되었다. 논문 제목은 "극한 초분극도를 가지는 새로운 종류의 유기 결정: 고효율 및 광대역 평면 스펙트럼 대역을 가지는 테라헤르츠 발생(A New Class of Organic Crystals with Extremely Large Hyperpolarizability: Efficient THz Wave Generation with Wide Flat-Spectral-Band)"이다.비선형 광학(nonlinear optics)은 빛과 물질 간에 일어나는 비선형적 특성을 연구하는 학문으로, 주파수(파장)로 대표되는 빛의 특성을 바꾸는 광변조 기술과 고감도 분석 등에 활용된다. 이러한 광학 연구에 쓰이는 비선형 광학 결정(nonlinear optical crystal)은 물질 내에서 주파수를 비롯한 다양한 빛의 특성을 조절할 수 있는 소재다. 전자기파의 주파수를 높은 주파수로 변환하거나, 반대로 낮은 주파수로도 바꿀 수 있어서다. 빛의 핵심 특성인 주파수를 변환할 수 있다면, 빛의 특성 조절을 통해 다양한 방식으로 빛을 광범위하게 활용할 수 있게 된다. 예를 들어 눈으로 볼 수 없는 적외선의 빛을 높은 주파수의 가시광선으로 바꿀 수 있어 눈으로 확인할 수 있게 되고, 이와는 반대로 적외선의 빛을 이용해 낮은 주파수인 테라헤르츠파(terahertz wave, THz)를 만들어 낼 수도 있다. 또한 빛의 특성을 조절해 빛을 이용하는 다양한 분석 장비에서 그동안 측정하지 못하던 소재를 분석할 수 있게 되거나, 이전에 비해 더 넓은 부분을 볼 수도 있게 된다.그러나 기존에 활용되던 유기 소재 및 무기 소재의 광학 결정은 낮은 테라헤르츠파 주파수 변환 효율을 나타낸다는 점이 한계로 지적되어 왔다. 이를 개선하기 위해 밀리미터 이상 두께의 광학 결정을 사용하는 방법이 제시되었으나, 이러한 방법 역시 여러 측면에서 한계를 보여왔다. 예를 들어 좁은 대역의 테라헤르츠파만을 발생시키거나, 주파수 대역에 많은 공백이 나타나는 등의 문제다. 그동안 테라헤르츠 광원 소재를 연구해 온 권오필 교수 연구팀은 새로운 설계를 통해 전자기파의 주파수를 고효율로 변환시킬 수 있는 이온성 유기광학 소재를 개발하는 데 성공했다. 테라헤르츠파(terahertz wave, THz)는 빛과 전파 두 가지 특성을 동시에 띄는 독특한 전자기파다. 인체에 무해하고 인간의 눈에 보이지 않는 부분까지 선택적으로 관찰할 수 있다. 의료와 보안, 환경, 산업계 등 다양한 분야에서 응용이 가능하다.이온성 유기광학 소재는 양이온 분자와 음이온 분자로 이루어져 있다. 기존에 개발되어 주로 사용되어 오던 이온성 광학 소재의 경우, 사용된 음이온의 종류가 매우 한정적이었으며 유사한 크기를 가지고 있었다. 주파수 변환 효율은 비선형성이 높을수록 향상되는데, 소재의 비선형성 향상을 위해 양이온 분자를 새로 설계해야 하는 상황에서는, 기존의 음이온 도입으로 문제를 해결하기 어렵다는 한계가 존재했다. 이에 공동 연구팀은 지금까지 보고된 비선형성을 뛰어넘는 극한의 비선형성을 가지는 새로운 양이온 분자를 설계하면서, 동시에 이에 적합한 음이온을 도입했다. 연구팀은 이를 기반으로 마이크로미터 두께의 초박막형 주파수 변환 소재를 개발해냈다. 이번 연구에서 개발한 10 마이크로미터 두께의 새로운 초박막형 광학결정은 기존에 상업화되어 있는 무기 결정에 비해 100분의1 수준 두께다. 초박막형 두께로도 기존 무기 결정 보다 약 5배 높은 주파수 변환 효율을 보였으며, 더 넓은 대역의 더 평평한 스펙트럼 형태를 가지는 테라헤르츠파를 발생시킴을 확인했다. 고효율 광대역 테라헤르츠파의 발생은 더 넓은 주파수 대역에서 더욱 고감도로 분석이 가능함을 의미한다. 이에 기존의 다른 레이저로는 탐지할 수 없었던 위험·유해한 물질의 고감도 식별이나 보안 측면에서 장점을 가지는 테라헤르츠 탐지·분석 기술 등에 응용될 전망이다. 권오필 교수는 "이번에 개발한 새로운 비선형 광학 결정 소재는 테라헤르츠뿐 아니라 다양한 전자기파 변조·변환 소자에도 적용 가능할 것으로 기대한다"며 "이와 같은 고효율 비선형 광학 소재는 전자기파의 주파수, 위상, 크기 등을 바꿀 수 있는 다양한 레이저와 통신 소자에 활용할 수 있다"고 말했다.(그림 위) 아주대·카이스트 공동 연구팀이 새로 개발한 초박막형 변환소재는 기존 무기소재보다 강하고, 넓은 영역의 평평한 테라헤르츠 스펙트럼을 발생시킴. 이는 이상적인 테라헤르츠 분광기 광원(하단 좌측)의 요구사항을 만족시킴. 이와 달리 일반적인 테라헤르츠 분광기 광원(하단 우측)은 많은 주파수 공백이 발생됨.
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