단국대-한양대 공동연구팀, 빛을 이용해 뇌처럼 학습하는 AI 반도체 개발

- 빛의 성질을 이용한 광전자 시냅스를 AI 반도체에 적용.

- 종이처럼 얇고 휘어지는 기판 구현 가능…웨어러블 기기, AI 센서 등 활용 기대.

[비욘드포스트 이봉진 기자] 단국대 최준환 교수(화학공학과)가 한양대 유호천·오세용 교수팀과 함께 빛을 이용해 인간의 뇌처럼 학습하는 차세대 AI 반도체(뉴로모픽 반도체)를 개발했다.

AI 반도체라 불리는 ‘뉴로모픽 반도체’는 인간의 뇌 신경망 구조(시냅스)를 모방해 뇌처럼 신호를 처리하고 학습하는 반도체다. 기존 반도체와 달리 연산장치(CPU)와 메모리를 하나의 칩으로 통합해 전력 소모를 크게 줄이고 많은 데이터를 한꺼번에 처리할 수 있어 차세대 반도체로 꼽힌다.
기존의 뉴로모픽 반도체는 주로 전기 신호를 활용했는데, 최근에는 빛을 이용한 광전자 시냅스 소자가 차세대 AI 반도체 핵심 기술로 주목받고 있다. 이 소자는 종이처럼 얇고 휘어지는 기판에도 구현이 가능해 웨어러블 기기, AI 센서, 보안 플랫폼 등 다양한 분야에 응용이 가능하다.

연구팀은 트랜지스터 소자에 이중 절연막 구조를 도입해, 고분자 절연층 사이에서 빛에 의해 생성된 전하를 포획·저장하는 구조를 구현했다. 특히 기체 상태에서 상온 공정을 통해 고분자 절연층을 제작하고, 유기 반도체 소재를 적용해 종이 명함 기판 위에 구현하는 데 성공했다. 개발된 소자로 인공지능 신경망을 구축해 지문 인식 시뮬레이션을 수행한 결과 최대 96%의 정확도를 나타내며 사용자 식별이 가능함을 입증하기도 했다.

최준환 교수는 “이번 연구는 광전자를 이용해 단일 소자에서 메모리와 시냅스 기능을 통합한 사례로 종이 기판에도 소자 구현이 가능한 만큼 향후 웨어러블 기기, 인공지능 센서, 보안 플랫폼 등 다양한 분야로 확장이 기대된다”라고 밝혔다.
이번 연구 결과는 전기 및 전자공학 분야 상위 2% 이내 저널(JCR, 2024년 기준)인 국제 저명 학술지 「npj Flexible Electronics(2024년 IF=15.5)」에 2025년 7월 온라인 게재됐다. 논문명은 「Photoresponsive dual-mode memory transistor for optoelectronic computing: charge storage and synaptic signal processing (광전자 컴퓨팅을 위한 광 반응성 이중 모드 메모리 트랜지스터 : 전하 저장 및 시냅스 신호 처리)」.

한편, 이번 연구는 한국연구재단 개인연구사업(중견연구) 지원을 받아 진행됐다.

bjlee@beyondpost.co.kr