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눈의 적응 능력 모방한 차세대 인공지능 반도체 소자 구현
소자 단위 생체기능 모방 소자 개발/공정 최적화
▲ 성태연 교수(교신저자,왼쪽)와 이태주 석박사통합과정(제1저자, 오른쪽) 기존의 실리콘 기반 메모리를 대체할 차세대 소자 개발에 관심이 높아지는 가운데 눈의 적응 능력을 모방한 차세대 인공지능 반도체 소자 연구결과가 발표됐다. 우리 학회 종신회원인 고려대학교 공과대학 신소재공학부 성태연 교수팀은 KIST 황규원 박사팀과 함께 기존의 실리콘 기반 메모리를 대체할 차세대 메모리 중 하나인 뉴로모픽 소자, 즉 사람 눈의 신경적 특성이 반영된 빛에 대한 실시간 페로브스카이트 기반 적응 소자 어레이를 세계 최초로 구현했다. 이번 연구결과는 재료분야 최상위 학술지 중의 하나인 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials: impact factor=30.849)’ 온라인판에 게재됐다. ▲ 눈의 적응을 모방하는 차세대 인공 시냅스 반도체 소자. 평면 및 단면 소자 구조 와 등가회로. 빛 노출에 따른 소자의 전류 특성. 빛을 받은 소자는 순간적으로 높은 전류 값을 보여주어 사람이 실제로 어두운 곳에서 밝은 곳으로 이동했을 때의 눈부심과 같은 특성을 보여주며, 지속적인 빛에 대한 반응이 점차 줄어들어 빛의 세기에 따른 눈의 명순응의 기능을 보여준다. 이는 구성소자 어레이의 빛 노출 시간에 따른 이미지화로 보여줄 수 있다.
성태연 교수팀은 빛의 신호를 받는 감광 특성을 지닌 페로브스카이트 기반 광 검출기를 제작하여 고성능, 고효율의 전기신호를 얻는데 성공했다. 특히, 수분과 유기용매에 취약한 페로브스카이트에 불소 첨가 고분자를 코팅함으로써 높은 신뢰성을 달성했다.
또한 리튬이온이 첨가된 내열성 고분자 뉴로모픽 소자를 구현함으로써 페로브스카이트 광 검출기에서 생성된 전기신호를 실시간으로 조절하는 성능을 확보했다. 이와함께 다양한 환경에서의 빛에 따른 소자의 적응 정도를 연구함으로써 사람의 눈과 비슷한 빛의 적응성을 보이는 인공 시냅스 소자의 작동 메커니즘을 규명했다. 빛을 받은 소자는 순간적으로 높은 전류 값을 보여주어 사람이 실제로 어두운 곳에서 밝은 곳으로 이동했을 때의 눈부심과 같은 특성을 보여주었으며, 지속적인 빛에 대한 반응이 점차 줄어들어 낮은 전류 값을 보여줌으로써 빛의 세기에 따른 눈의 명순응의 기능을 재현했다. 연구팀이 구현한 적응 소자 개발은 소자 단위에서의 정보처리를 진행함으로 에너지 효율을 극대화할 것으로 기대된다.
연구를 주도한 성태연 고려대 교수는 “구현된 소자 공정 기술은 기존 반도체 공정대비 낮은 원가와 빠른 공정, 대면적에 적합하여 커다란 경제적 장점을 갖는다. 이에 더하여 소자 단위에서의 생체기능 모방 소자 개발/공정 최적화와 메커니즘 규명은 인공지능 반도체 개발에 활용되어 회로 최적화 및 에너지 효율을 극대화할 뿐만 아니라, 향후 지능형 사물인터넷(IoT)의 핵심 기술이 될 것”이라고 기대했다.
■ 용어설명 1. 뉴로모픽 소자 (neuromorphic device)
: 뉴로모픽 반도체란 인간의 뇌나 신경세포의 구조와 특성을 모방해 효율성을 높인 인공지능형 반도체를 뜻하므로 기존의 실리콘 기반의 반도체의 성능을 넘어서는 차세대 소재를 이용한 소자이다. 2. 시냅스 가소성 (synaptic plasticity)
: 뉴런가지 사이에 신호를 전달하는 부위인 시냅스에서 신호 전달 강도가 유동적으로 변하는 것을 뜻한다. 강도가 강화 (potentiation) 되거나 약화 (depression) 될 수 있으며, 단기 또는 (short-term) 장기로 (long-term) 유지가 될 수 있다. 이러한 가소성은 외부 자극에 대한 정보처리나 저장을 실현하는 가장 기본적인 기능이다. 3. 페로브스카이트 (perovskite)
: 페로브스카이트는 재료의 명칭이 아닌 재료의 결정 구조의 한 종류로, 티탄산 칼슘 (CaTiO3)과 같이 ABX3형식의 결정구조를 갖는 재료를 뜻한다. 페로브스카이트 물질들은 주로 넓은 스펙트럼의 빛을 흡수할 뿐만 아니라 물질의 비율에 따라 특수한 파장에 따른 흡수도를 조절할 수 있다. 4. 광 검출기 (photodetector)
: 빛을 전기적인 신호로 변환시키는 장치를 뜻하며 광센서라고도 한다. 광 검출기는 빛을 흡수하고 전자와 정공을 만들 수 있는 수광 소재가 필수적이다. 5. 지능형 사물인터넷 (artificial intelligence of things)
: 사물인터넷은 각종 사용기기에 센서와 통신 기능이 부착되어 인터넷에 연결하여 사람과 사물, 또는 사물과 사물 간의 통신을 이끌어 내는 기술이다. 더욱 진화한 지능형 사물인터넷은 사물 스스로 상황에 따른 조치를 취할 수 있는 능력을 가진 것을 말한다. ■ 논문 정보 *제목: Realization of an Artificial Visual Nervous System Using Integrated Optoelectronic Device Array
*저자: Tae-Ju Lee (제1저자), Kwang-Ro Yun, Su-Kyung Kim, Jong-Ho Kim, Junyoung Jin, Kee-Baek Sim, Da-Hoon Lee, Gyu Weon Hwang, and Tae-Yeon Seong*(교신저자) -출처: 고대뉴스
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