라만 분석장비로 시작한 레이저 제어..."확률컴퓨팅 소자 개발도 가능"

국내 연구진이 국산 라만분광 장비를 기반으로, 물질의 구조 변화와 전기적 특성을 연속적으로 분석할 수 있는 융합 분석 장비를 개발하고, 이를 활용해 반도체 소자의 새로운 구현 방식을 제시했다. 이번에 개발된 기술은'확률 컴퓨팅'*용 핵심 소자 개발을 비롯해, 다양한 차세대 반도체 및 신개념 소자 연구 분야로의 폭넓은 응용이 기대된다. 한국기초과학지원연구원(KBSI)은 전략장비개발연구단 홍웅기 박사 연구팀이 국내 라만장비 전문기업 위브와 기존 국산 라만분광 시스템에 주사형 광전류 이미징 기능을 통합한 '라만분광–주사형 광전류 이미징 융합분석시스템을 고도화하고, 이 장비를 활용해 상변화 산화물 반도체(V2O3, VO2)의 원자 배열을 레이저로 정밀 제어하는 '토포택틱 상전이' 기술을 구현하고, 재구성 가능한 광전자 소자를 제작했다고 19일 밝혔다. 장비 개발은 국내 라만장비 전문기업 위브와 공동으로 이루어졌다. 토포택틱 상전이 기술 개발에는 한국재료연구원(KIMS)과 한국세라믹기술원(KICET)이 참여했다. 이번 연구의 핵심은 물질 구조 변화와 실제 전류 분포를 동일 위치에서 연속적으로 관찰할 수 있는 분석 플랫폼 구현이다. 그동안 상변화 산화물 반도체 연구는 전기적 특성 분석이나 구조 분석이 개별적으로 이루어져, 소자 성능과 물질 상태 간 직접적인 상관관계 규명에 한계가 있었다. 연구팀은 고도화된 국산 라만융합장비를 활용해, 결정 구조의 뼈대는 그대로 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. 홍웅기 전략장비개발연구단 책임연구원은 "복잡한 반도체 미세공정이나 후속 열처리 없이, 상변화 제어만으로 소자 기능을 선택적으로 재구성할 수 있음을 입증했다는 점도 또 다른 성과"라고 말했다. 기존 연구가 상변화 현상 확인이나 물질 전체 물성을 변화시키는 수준에 머물렀다면, 이번 연구는 레이저를 이용해 나노-마이크로 크기 영역에 금속과 반도체 특성을 원하는 위치와 형태로 직접 그리는(writing) 기술을 구현했다. 연구팀은 이같은 접근 방식으로 빛과 열로 전기를 생성하는 광열전 소자도 구현했다. 홍웅기 책임연구원은 “이번에 고도화한 국산 라만융합장비는 소재 구조와 소자 성능을 하나의 플랫폼에서 연속적으로 분석할 수 있는 독보적인 플랫폼"이라며 "우리나라 소재·소자 연구의 경쟁력을 높이는 핵심 도구가 될 것”이라고 말했다. 홍 책임은 또 “특히 상변화 산화물 반도체가 가진 고유의 확률적 성질과 레이저 기반 상변조 기술을 결합, 차세대 '확률 컴퓨팅' 구현을 위한 핵심 소자인 오실레이터 발진 특성과 신호 패턴을 정밀하게 제어하는 후속 연구에 박차를 가할 계획”이라고 밝혔다. 연구결과는 나노과학·나노공학 분야 국제 학술지(ACS 나노)에 온라인으로 게재됐다.