(누리일보) 인간은 망막을 통해 대량의 시각 정보를 수집하여 정보를 학습하고 처리한다. 이러한 인간의 인지와 학습 기능을 인공적으로 구현하는 생체모사 반도체 기술이 급격히 진화 중이며, 사고로 인해 손상된 감각 기관을 대체하여 환자에게 이식하거나, 선천적 인지 기능의 강화가 근미래에 구현될 것으로 기대된다. 하지만 기존 기술은 개별적으로 구성된 센서와 연산 모듈로 인해 데이터 병목 현상과 전력 소모에 기술 난제가 있다.

 

특히 기존의 인공 망막 소자 기술은, 주로 가시광선 영역에서의 정보를 수집하여 처리 능력을 주로 구현했지만, 1000nm 이상의 적외선을 통해 입력되는 정보에 대한 기억과 처리 능력 구현은 아직 미진하다.

 

최근 국내 연구진에 의해 인간의 망막 구조를 모방하여, 인간의 인지 범위를 넘어서는 적외선 영역 신호를 인식하고 학습 가능한 인공 망막 반도체 소자 기술이 개발됐다.

 

경상국립대학교(GNU·총장 권진회) 공과대학 나노·신소재공학부 박준홍 교수팀과 한양대학교 오누리 교수팀은 공동으로 적외선 감응 특화 양자점과 2차원 반도체 소재를 활용하여 미지의 영역이었던 비욘드 Si(1000nm) 대 이상 적외선 신호를 처리하는 차세대 신경망 반도체 소자를 구현하는 데 성공했다고 밝혔다.

 

박준홍-오누리 교수 연구팀은 1000nm 이상 적외선 파장 감응에 특화된 친환경 양자점을 고속 전하 이동도를 가진 2차원 반도체 채널에 적층하여, 인간의 망막을 모방한 반데르발스 접합의 신경망 반도체 소자를 설계했다. 적층된 양자점 층은 적외선이 가해짐에 따라 유도 전하가 생성되고, 이 전하는 반데르발스 계면을 통해 2차원 반도체 채널로 전송되어 정보를 처리한다. 이번 연구에서는 전하의 생성과 전송 효율을 극대화하여, 1000nm 이상 적외선 영역에서 기존에 발표된 이종 적층 소자보다 우수한 감응도를 확보했다.

 

이러한 우수한 광 반응도를 활용하여, 연구진은 입력된 적외선 자극에 대해 인간의 신경망과 유사한 학습 거동을 구현했다. 특히 비정형 이미지에 대해 86% 이상의 정확도로 추론하는 데 성공하여, 대량의 고품질 이미지 데이터를 낮은 전력 소비로 처리할 수 있는 원천 기술을 확보했다.

 

연구진은 “기존 실리콘 시모스(CMOS) 기반 디지털 연산 처리 속도의 기술적 한계를 극복함에 따라 엣지컴퓨팅 및 다중모달 인공지능 시스템 상용화에 기여 가능하며, 특히 적외선 이미징의 모빌리티 탑재 자율운행 시스템에 활용될 수 있다.”라고 말했다.

 

이번 연구결과는 세계적 저명 학술지 《스몰(Small)》(IF: 13.0)에 ‘다차원 반데르발스 적층 소자를 이용하여 근적외선 신호 학습과 추론이 가능한 인공 망막 소자(infrared-triggered retinomorphic artificial synapse electronic device containing multi-dimensional van der waals heterojunctions)’라는 제목으로 6월 온라인에 ‘inside front cover(앞 표지 안쪽)’논문으로 게재됐다.

 

이번 연구는 과학기술정보통신부 주관 국가반도체연구실 사업, 개인기초 사업 지원으로 수행했다.