⁠⁠⁠⁠⁠⁠⁠

KAIST 연구팀이 개발한 카이랄 자성 양자점을 이용해 제작한 뇌 모사 뉴로모픽 소자 모식도. KAIST 제공

국내 연구팀이 원자 수준에서 정밀하게 제어할 수 있는 새로운 개념의 고안정성 양자점 개발에 성공했다. 양자점을 활용해 사람의 뇌처럼 정보를 보고, 판단하고, 저장하며 초기화할 수 있는 기능을 단일 소자에 집약해 고성능 인공지능(AI) 하드웨어를 만들 수 있을 것으로 기대된다. 

KAIST는 염지현 신소재공학과 교수팀이 빛에 의해 비대칭 반응을 내는 '카이랄성'과 자성을 동시에 갖는 특수 나노입자인 양자점을 세계 최초로 개발하고 저전력 인간 뇌 구조와 작동 방식을 모방한 인공지능 뉴로모픽 소자(ChiropS)도 성공적으로 구현했다고 25일 밝혔다.

연구팀은 은황화물(Ag2S) 기반의 무기 나노입자에 카이랄 유기물을 합성해 양자점을 개발했다. 합성한 물질을 적층해 시냅스 트랜지스터 구조를 제작해 양자점을 만든 것이다. 연구팀은 양자점을 이용해 인공지능 뉴로모픽 소자까지 개발했다. 

개발한 소자는 가시광 전 영역에서 각각에 적용되는 편광에 따라 상이한 반응을 보인다. 다채널 인식이 가능한 신경 시냅스 소자 플랫폼으로 활용할 수 있다는 의미다. 

개발한 소자에 빛을 가하면 장기기억 특성(LTP)을 보이고 전기 펄스를 넣으면 초기화 되는 전기 소거 기능도 갖게 할 수 있다. 뇌처럼 학습하고 적응할 수 있는 기능을 빛을 이용해서 인공적으로 구현할 수 있는 것이다.  

또 소자에 반복해 아주 짧은 시간동안 광 펄스(레이저 빛)를 비추게 되면 점진적으로 전류가 누적됐다. 뇌처럼 AI가 학습하게 하는 데 쓰이는 시냅스 가중치 조절과 다중 학습이 가능하다. 양자점은 빛을 일정하게 받아도 복잡한 판단을 해주는 스마트 센서처럼 반응을 하기도 했다. 

연구는 광학적 카이랄성과 자기적 스핀 특성을 하나의 나노소재에 융합함으로써 기존에 구현되지 않았던 편광 구분 기능과 장기 기억 성능을 동시에 확보할 수 있다는 의미를 갖는다. 단일 소자에 감지, 처리, 기억,, 초기화 기능이 통합돼 있어 향후 고성능 인공지능 하드웨어를 더 작고 효율적으로 만드는 데 쓰일 수 있다고 평가된다. 

연구결과는 고속·고지능·저전력 AI 시스템 구현의 핵심 기술로 향후 광 암호화, 보안 통신, 양자 정보처리에도 활용될 수 있다. 

염 교수는“기존 양자점의 한계를 극복하기 위해 광학적 카이랄성과 자기적 스핀 특성을 융합한 새로운 개념의 양자점을 설계했다”며 “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.

연구결과는 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)'에 4월 7일자로 온라인 게재됐다. 

<참고자료>
-https://doi.org/10.1002/adma.202415366

[이채린 기자 rini113@donga.com]

Copyright © 동아사이언스. 무단전재 및 재배포 금지.