세계 최초 ‘카이럴자성 양자점’ 개발

KAIST 염지현 교수 연구팀 성과
방향성·자성·광학성질 동시 갖춰
뇌 모방 뉴로모픽 소자 구현 성공

KAIST 신소재공학과의 염지현(왼쪽) 교수와 권준영 박사 [KAIST 제공]

KAIST는 염지현 신소재공학과 교수 연구팀이 빛에 의해 비대칭 반응하는 카이랄성과 자성을 동시에 갖는 특수 나노입자인 양자점(CFQD)을 세계 최초로 개발하고 저전력 인간 뇌 구조와 작동 방식을 모방한 인공지능 뉴로모픽 소자(ChiropS)까지 성공적으로 구현했다고 25일 밝혔다.

연구팀이 개발한 카이랄 양자점을 활용한 광 시냅스 트랜지스터는 편광 구분, 멀티 파장 인식, 전기 소거 등 다양한 기능을 단일 소자에 집약한 고속·고지능·저전력 인공지능(AI) 시스템 구현의 핵심 기술로 향후 광 암호화, 보안 통신, 양자 정보처리에도 활용될 수 있다.

카이랄 자성 양자점은 은황화물(Ag₂S) 기반의 무기 나노입자에 카이랄 유기물인 L-또는 D-시스테인을 도입해 합성한 것으로 빛의 편광 방향(원형 편광)에 따라 서로 다르게 반응하는 특성을 지닌다.

연구팀은 실리콘 위에 카이랄 자성 양자점을 활용한 은황화물층과 유기 반도체 펜타신을 적층한 시냅스 트랜지스터 구조를 제작했다. 해당 소자는 빛을 가하면 장기기억 특성(LTP)을 보이고 전기 펄스를 인가하면 초기화되는 전기 소거 기능도 구현하여 뇌처럼 학습하고 적응할 수 있는 기능을 빛을 이용해서 인공적으로 만드는데 성공했다.

카이랄 자성 양자점을 이용하여 제작한 뇌 모사 뉴로모픽 ChiropS 소자 모식도 [KAIST 제공]

또 반복해 아주 짧은 시간동안 광 펄스(레이저 빛)을 비추게 되면 점진적으로 전류가 누적되며 단계적으로 증가하는 멀티 레벨 상태를 형성했고, 이는 뇌처럼 인공지능이 학습하게 하는 시냅스 가중치 조절이 되고 다중 학습도 가능함을 의미한다.

연구팀은 2×3 소자 어레이를 제작해 서로 다른 편광과 파장의 빛을 각각 비췄을때, 각 소자의 응답 전류가 뚜렷이 구분되는 것을 확인했다. 6개의 채널을 통해 총 9개의 정보를 병렬로 감지하고 처리할 수 있어, 기존 대비 최소 9배 이상의 정보량 처리가 가능하다.

또 기존 컴퓨팅 기술 대비 최대 30% 적은 전력으로 구동이 가능하다는 장점이 있다. 염 교수는 “단일 소자가 다중 편광과 다중 파장을 처리할 수 있고, 전기 신호로 초기화할 수 있는 기능까지 통합한 만큼 저전력·고정밀 AI 시스템 구현을 위한 혁신적 플랫폼이 될 수 있다”고 강조했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스’ 온라인판에 지난 7일 게재됐다. 구본혁 기자