AI의 눈 더 똑똑해진다… 국립부경대·KIST, 초소형·고성능 AI 센서 기술 개발

국립부경대 장지수 교수·KIST 황도경·문효원 박사 공동연구팀 성과
국제학술지 'Materials Science and Engineering R: Reports' 게재

AI가 세상을 보는 방식이 달라질 전망이다.

국립부경대학교 장지수 교수 연구팀과 한국과학기술연구원 황도경·문효원 박사 공동 연구팀은 차세대 반도체인 2차원(2D) 반도체의 성능을 좌우하는 핵심 요소가 '2차원 금속 전극'이라는 사실을 밝혀내고, 이를 활용한 새로운 광전자 소자 구조를 개발했다.

공동연구팀,(왼쪽부터 연응선 KIST와 KU-KIST 융합대학원 학생연구원(제1저자), 이윤정 KIST 인턴연구원(제1저자), 한성준 KIST, KU-KIST 융합대학원 학생연구원(제1저자), 문효원 KIST 선임연구원(교신저자), 황도경 KIST 책임연구원, KU-KIST 융합대학원 학연교수(교신저자), 장지수 국립부경대 교수(교신저자). 국립부경대 제공

2차원 반도체는 머리카락 수만 분의 1 수준 두께의 초박막 소재로, 기존 실리콘 반도체를 뛰어넘을 차세대 기술로 주목받고 있다. 하지만 전류가 드나드는 금속 전극 부분에서 에너지 손실이 발생해 성능 향상에 한계가 있었다.

연구팀은 기존 금속 대신 원자층 수준의 2차원 금속을 전극으로 활용해 이 문제를 해결했다. 그 결과 빛을 감지하는 광전자 소자의 성능을 크게 높였고, 센서 안에서 데이터 연산까지 수행하는 '인-센서 컴퓨팅(In-Sensor Computing)' 기능 구현에도 성공했다.

인-센서 컴퓨팅은 센서가 정보를 받아들이는 데 그치지 않고 직접 분석·판단하는 기술이다. 사람이 눈으로 사물을 본 뒤 뇌가 즉시 정보를 처리하듯, 센서 자체가 연산 기능을 수행하는 것이다. 데이터 이동 과정이 줄어드는 만큼 처리 속도는 빨라지고 전력 소모는 많이 감소한다.

이번 성과는 자율주행차와 휴머노이드 로봇, 스마트기기 등에 적용될 차세대 AI 비전 센서 개발의 핵심 기반 기술로 평가받는다. 특히 방대한 영상 데이터를 실시간으로 처리해야 하는 AI 시대에 반도체의 속도와 에너지 효율을 동시에 높일 수 있는 새로운 해법을 제시했다는 점에서 의미가 크다.

연구를 주도한 장지수 교수는 "이번 연구는 2차원 금속 전극이 차세대 반도체 성능 향상의 핵심 열쇠임을 확인한 성과"라며 "AI가 직접 보고 판단하는 차세대 비전 센서 개발을 앞당기는 계기가 될 것으로 기대한다"고 말했다.

이 연구 성과는 세계적인 재료공학 분야 학술지인 (IF=26.8)에 6월 1일 온라인으로 게재됐다.

2차원 반도체는 원자 몇 층 두께의 초박막 구조를 갖는 신소재로, 차세대 저전력 전자소자와 인공지능 비전 시스템 등에 활용될 것으로 기대된다. 그러나 2차원 반도체와 전극이 접촉하는 계면에서 발생하는 결함과 페르미 준위 고정(Fermi-level pinning) 현상은 소자 성능을 제한하는 대표적인 문제로 지적돼 왔다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 다양한 2차원 금속 전극을 활용한 광전자 소자 구조를 설계하고, 전극 특성이 광전자 성능에 미치는 영향을 체계적으로 비교·분석했다.

연구 결과, 2차원 금속은 기존 벌크 금속 전극과 달리 2차원 반도체 표면에 손상을 유발하지 않으며, 결함이 거의 없는 이상적인 계면을 형성하는 것을 확인했다. 또 광발광(photoluminescence), 온도 의존 전기적 특성 분석을 통해 2차원 금속과 WS2 반도체 사이에서 계면 결함과 페르미 준위 고정 현상이 효과적으로 억제되는 것도 확인했다.

이와 함께 연구진은 여러 종류의 2차원 금속을 광전소자에 적용해 실험한 결과, 전극의 일함수가 광검출 특성을 결정하는 핵심 인자라는 사실을 밝혔다. 특히 높은 일함수를 갖는 염소(Cl)가 도핑된 2차원 금속 셀렌늄화주석(Cl-SnSe2)을 전극으로 적용한 경우, 광검출기의 선형 동적 범위(Line Dynamic Range)가 135dB에 달하고 광전변환효율(Power Conversion Efficiency)은 13.6%에 이르는 우수한 성능을 달성했다.

더 나아가 연구팀은 개발된 고효율의 광전 소자를 활용해 센서 내부에서 영상 정보를 직접 처리하는 '인-센서 컴퓨팅(In-sensor Computing)' 기능을 구현했다. 그 결과, 기존 금속 전극을 사용한 소자보다 2차원 금속 전극을 적용한 소자의 이미지 처리 기능이 훨씬 우수한 것으로 나타났다.

2차원 금속 전극이 적용된 광전자 소자의 모식도와 광전 특성, 그리고 인-센서 컴퓨팅 구현 결과 이미지.

이번 연구는 국립부경대 신임교수 학술연구비 지원사업과 과학기술정보통신부 KIST 주요 사업과 중견연구사업의 지원을 받아 수행됐다.

영남취재본부 김수로 기자 relationship6007@asiae.co.kr