국립부경대, 반도체 하나로 3진 논리 구현…인식 정확도 높여

고분자 하나로 0·1·2 상태 구분
손글씨 인식 89.3%…이진보다 높아
국제학술지 10월 1일 자 논문 게재

단일 고분자반도체를 이용한 3진 논리소자 개발에 참여한 국립부경대학교 이지열 교수, 인하대학교 이근형 교수, 박동현 박사과정생(왼쪽부터). (사진=국립부경대 제공)

하나의 반도체에서 세 가지 논리 상태를 구분하는 기술이 국내 공동연구진에 의해 개발됐다. 여러 종류의 반도체를 결합하지 않고도 3진 논리회로를 구현한 것으로, 실제 소자의 특성을 반영한 손글씨 인식 실험에서도 기존 이진 방식보다 높은 정확도를 기록했다.

국립부경대학교 이지열 교수(차세대반도체공학전공)와 인하대학교 이근형 교수(화학·화학공학융합학과) 연구팀은 단일 고분자반도체를 이용해 '0·1·2'를 각각 구별할 수 있는 3진 인버터를 만들었다.

핵심은 전압에 따라 고분자반도체에서 서로 다른 도핑 현상이 차례로 나타나는 원리를 활용한 데 있다. 낮은 전압에서는 이온이 내부까지 들어가지 못해 표면을 중심으로 전기적 특성이 변한다. 전압을 높이면 이온이 안쪽으로 이동하면서 또 다른 방식으로 전도 상태가 바뀐다.

연구진은 이러한 두 현상이 차례로 나타나는 과정에서 전압 변화에도 전류가 거의 달라지지 않는 구간을 확인했다. 이 구간을 세 번째 논리 상태로 활용하면서 서로 다른 반도체를 결합해야 했던 기존 제작 방식의 복잡성을 줄일 가능성을 제시했다.

현재 컴퓨터와 전자기기는 대부분 두 가지 신호를 구분하는 이진 체계를 사용한다. 세 가지 이상의 값을 처리하는 다진 논리는 같은 소자에서 표현할 수 있는 정보를 늘려 회로 구성과 배선 부담을 낮출 수 있는 차세대 기술로 연구되고 있다.

연구팀은 개발한 소자의 측정 특성을 바탕으로 손글씨 숫자를 분류하는 MNIST 실험도 진행했다. 그 결과 3진 신경망의 인식 정확도는 89.3%로, 비교 대상인 이진 신경망의 74.1%보다 15.2%포인트 높았다.

연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 'Advanced Functional Materials' 36권 44호에 지난 1일 실렸다. 논문 제목은 'Single-Polymer Multi-Valued Logic Enabled by Sequential Electrostatic-to-Electrochemical Doping'이다.

논문에는 이지열 교수와 이근형 교수가 교신저자로, 인하대학교 박동현 박사과정생이 제1저자로 이름을 올렸다.

이지열 교수는 두 종류의 도핑 현상을 순서대로 조절해 안정적인 중간 상태를 만들어냈다는 점에 의미를 두고, 향후 저전력 신경망 연산 기술에 활용할 가능성을 제시했다.

이번 연구는 한국연구재단 기초연구사업과 산업통상부 산업혁신인재성장지원사업의 지원을 받아 수행됐다.

부산=김성욱 기자