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[IT뉴스]레이저로 반도체 구조 맘대로 그려 ‘확률 컴퓨팅’ 구현한다

온카뱅크관리자

2026-01-19 10:47:36

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 왼쪽부터 홍웅기 KBSI 책임연구원(제1저자/교신저자), 윤종원 한국재료연구원 선임연구원(공동제1저자/공동교신저자), 장훈수 한국세라믹기술원 장훈수 책임연구원(공동제1저자). KBSI 제공.
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 0과 1의 이진법 ‘비트’ 대신 확률적인 신호를 이용해 불확실한 데이터를 처리하거나 최적화 문제를 해결하는 데 특화된 차세대 컴퓨팅을 ‘확률 컴퓨팅’이라고 한다. 국내 연구진이 국산 라만분광 장비를 토대로 확률 컴퓨팅용 핵심 소자 개발에 필요한 분석 장비를 개발했다. 
 한국기초과학지원연구원은 홍웅기 전략장비개발연구단 책임연구원 연구팀이 국내 라만장비 전문기업 ‘위브’와 함께 기존 국산 라만분광 시스템에 주사형 광전류 이미징 기능을 통합한 ‘라만분광–주사형 광전류 이미징 융합분석시스템’을 고도화했다고 19일 밝혔다. 연구 성과는 나노과학·나노공학 분야 국제 학술지인 ‘ACS나노’에 1월 9일 온라인판으로 게재됐다.
 연구팀은 이 장비를 활용해 상변화 산화물 반도체(V2O3, VO2)의 원자 배열을 레이저로 정밀 제어하는 ‘토포택틱 상전이’ 기술을 구현하고 재구성 가능한 반도체 소자를 실제 제작하는 데 성공했다.
 상변화 산화물 반도체는 외부 자극에 따라 금속처럼 전기가 잘 통했다가 절연체처럼 통하지 않기도 하는 물질이다. 상이 바뀔 때 전기적 성질이 크게 달라져 메모리 소자, 센서 등 차세대 반도체 응용에 중요한 후보다. 
 토포택틱 상전이 기술은 결정 구조의 큰 틀은 유지하면서 일부 원자의 상태나 배치만 바꾸어 물질의 상을 전환시키는 상전이를 말한다. 재구성 가능한 반도체 소자는 빛에 반응하는 기능과 전기적 특성을 같은 소자 안에서 여러번 다시 설계하고 구성할 수 있는 소자다. 
 이번 연구의 핵심은 물질의 구조 변화와 실제 전류 분포를 동일 위치에서 연속적으로 관찰할 수 있는 분석 플랫폼을 구현한 것이다. 
 그동안 상변화 산화물 반도체 연구는 전기적 특성 분석이나 구조 분석이 별도로 이뤄져 소자 성능과 물질 상태 간 직접적인 상관관계 규명에 한계가 있었다. 
 연구팀은 고도화된 국산 라만융합장비를 활용해 결정 구조의 뼈대는 유지한 채 레이저로 산소 결합 상태만을 조절하는 토포택틱 상전이를 구현했다. 이를 통해 한 시료 내에서 물질 구조 변화와 전류 흐름을 연속적으로 관찰하며 결과를 즉시 소자 설계에 반영할 수 있는 새로운 연구 방식을 제시했다.
 특히 연구팀은 복잡한 반도체 미세공정이나 후속 열처리 없이 상변화 제어만으로 소자 기능을 선택적으로 재구성할 수 있음을 입증했다. 레이저를 이용해 나노-마이크로 크기 영역에 금속과 반도체 특성을 원하는 위치와 형태로 직접 그리는(writing) 기술을 구현하는 데 성공했다.
 연구팀의 새로운 접근 방식은 빛과 열로 전기를 생성하는 광열전 소자 구현으로 이어졌다. 차세대 에너지 소자와 센서 소자의 구체적인 실용화 방향을 제시한 것으로 평가된다.
 연구에 핵심적으로 쓰인 ‘라만분광-주사형 광전류 이미징 융합분석시스템’은 국내 기업 위브와 함께 국산연구장비기술경쟁력강화(연구장비산업 지속성장 지원) 사업을 통해 고도화 개발한 결과물이다. 그동안 고성능 융합분석 시스템은 해외 수입에 의존해 왔으나 이번 국산화를 통해 수입 대체 효과를 거둘 것으로 기대된다. 
 홍웅기 책임연구원은 “이번에 고도화 개발한 국산 라만융합장비는 국내 소재·소자 연구의 경쟁력을 높이는 핵심 도구가 될 것”이라고 밝혔다.  
 [김민수 기자 reborn@donga.com]
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