KAIST

< 염지현 신소재공학과 교수(좌), 권준영 신소재공학과 박사(우) >

기존 양자점(quantum dots)에는 카이랄 방향성, 광학적 또는 자기적 특성을 복합적으로 구현하는 것이 매우 어려운 기술이었다. KAIST 연구진이 이런 한계를 극복하고, 세계 최초로 광학적 카이랄성과 자성의 융합 특성을 동시에 갖춘 ‘카이럴 자성 양자점’을 개발하고, 이를 활용하여 사람의 뇌처럼 정보를 보고, 판단하고, 저장하며 초기화할 수 있는 기능을 단일 소자에 집약해, 고성능 AI 하드웨어의 새로운 패러다임을 제시했다.

우리 대학 신소재공학과 염지현 교수 연구팀이 빛에 의해 비대칭 반응하는 카이랄성과 자성을 동시에 갖는 특수 나노입자인 양자점(CFQD)을 세계 최초로 개발하고, 저전력 인간 뇌 구조와 작동 방식을 모방한 인공지능 뉴로모픽 소자(ChiropS)까지 성공적으로 구현했다.

신소재공학과 염지현 교수 연구팀이 개발한 카이랄 양자점을 활용한 광 시냅스 트랜지스터는 편광 구분, 멀티 파장 인식, 전기 소거 등 다양한 기능을 단일 소자에 집약한 고속·고지능·저전력 AI 시스템 구현의 핵심 기술로 향후 광 암호화, 보안 통신, 양자 정보처리에도 활용될 수 있다. 

이번에 개발된 카이랄 자성 양자점은 은황화물(Ag2S) 기반의 무기 나노입자에 카이랄 유기물인 L-또는 D-시스테인을 도입해 합성한 것으로 빛의 편광 방향(원형 편광)에 따라 서로 다르게 반응하는 특성을 지닌다. 특히, 405, 488, 532 nm 등 가시광 전 영역에서 각각의 편광(LCP, RCP)에 따라 상이한 반응을 보여, 다채널 인식이 가능한 신경 시냅스 소자 플랫폼으로 활용할 수 있다. 또한, 물을 기반으로하여 친환경적으로 합성하고 그 안정성이 높다는 것에 상업적으로 큰 차별점이 있다. 

연구팀은 실리콘 위에 카이랄 자성 양자점을 활용한 은황화물층과 유기 반도체 펜타신을 적층한 시냅스 트랜지스터 구조를 제작했다. 해당 소자는 빛을 가하면 장기기억 특성(LTP)을 보이고 전기 펄스를 인가하면 초기화 되는 전기 소거 기능도 구현하여 뇌처럼 학습하고 적응할 수 있는 기능을 빛을 이용해서 인공적으로 만드는데 성공했다.

< 카이랄 자성 양자점을 이용하여 제작한 뇌 모사 뉴로모픽 ChiropS 소자 모식도. 원형편광 방향성 및 다양한 파장을 이용하여 높은 집적도와 효과적인 에너지 절감을 구현 >

또한, 반복하여 아주 짧은 시간동안 광 펄스(레이저 빛)을 비추게 되면 점진적으로 전류가 누적되며 단계적으로 증가하는 멀티 레벨 상태를 형성하였고, 이는 뇌처럼 인공지능이 학습하게 하는 시냅스 가중치 조절이 되고  다중 학습도 가능함을 의미한다. 

연구팀은 2×3 소자 어레이를 제작해 서로 다른 편광과 파장의 빛을 각각 비추었을때, 각 소자의 응답 전류가 뚜렷이 구분되는 것을 확인했다. 6개의 채널을 통해 총 9개의 정보를 병렬로 감지하고 처리할 수 있어, 기존 대비 최소 9배 이상의 정보량 처리가 가능함을 밝혔다.

더 나아가, 이 소자는 빛(광)을 일정하게 받아도 복잡한 판단을 해주는 스마트 센서처럼 반응을 했다. 예를 들어, 이는 잡음(노이즈)을 걸러내고 신호를 증폭할 수 있는 기능을 소자 자체에 내장하고 있는 것처럼 자동 필터하는 역할을 한다. 실제로 손글씨(MNIST) 데이터에 잡음과 같은 가우시안 노이즈를 추가하고 소자에 통과시킬 경우, 고주파 잡음이 줄고 핵심 정보만 살아남는 효과가 확인되었다. 이를 통해 기존 컴퓨팅 기술 대비 최대 30% 적은 전력으로 구동이 가능했다고 밝혔다. 

이번 연구는 광학적 카이랄성과 자기적 스핀 특성을 하나의 나노소재에 융합함으로써, 기존에 구현되지 않았던 편광 구분 기능과 장기 기억 성능을 동시에 확보할 수 있다. 단일 소자에 감지(보기), 처리(판단), 기억(저장), 초기화(지우기) 기능 기능이 통합되어 있어 향후 고성능 인공지능 하드웨어를 더 작고 효율적으로 만들 가능성도 높다고 평가된다.

< 카이랄 Ag2S CFQDs의 합성 및 광전자 특성 분석, a) 카이랄 Ag2S CFQDs의 합성 과정 모식도. b) L-시스테인을 카이랄 매개분자로 사용하여 합성한 Ag2S CFQDs의 고해상도 주사투과전자현미경 사진. 약 5 nm 크기의 양자점인 것을 알 수 있다. c) 해당 이미지의 고속 푸리에 변환(FFT, Fast Fourier Transform) 사진으로, 양자점 내부에 원자수준의 결함이 잘 유도된 것을 확인할 수 있다. d) L-Cys-Ag2S CFQDs의 자기적 성질을 보여주는 히스테리시스 곡선. e) L-, D-, DL-Cys-Ag2S CFQDs의 g-인자 스펙트럼. L-과 D-가 반반 섞인 DL-시스테인을 사용한 양자점의 경우 카이랄 광학적 활성 시그널이 없는 것을 볼 수 있고, L-과 D-를 각각 사용하여 합성한 양자점은 거울상으로 대칭이 되는 시그널이 잘 나오는 것을 확인할 수 있다. f) L-Cys-Ag2S CFQDs의 엑시톤 전이를 보여주는 원형 이색성(CD, Circular Dichroism), 형광 검출 원형 이색성(FDCD, Fluorescence Detected Circular Dichroism), Gaussian 피팅된 광여기 발광(PLE, Photoluminescence Excitation) 스펙트럼. 연구진이 유도한 원자수준 결함을 통해 양자점 내에 다양한 에너지 레벨이 생성되어, 시냅스를 구동할 때 다양한 파장을 활용할 수 있게 하는 장점이 있다. g) 펜타신/Ag2S/SiO2/Si 소자의 단면 주사 전자 현미경(SEM, Scanning Electron Microscopy) 이미지 (펜타신(50 nm)/Ag2S(50 nm)/SiO2 (100 nm)/Si). h) 초기 전자 상태에서의 에너지 밴드 구조 모식도. 암실 조건에서의 광 강화 및 전기적 삭제 동작 시연 >

염지현 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.

이번 연구는 국립부경대학교 나노융합공학전공 권준영 교수(전. KAIST 박사후연구원)와 KAIST 신소재공학과 김경민 교수 연구팀의 전재범 박사가 제1 저자로 참여했으며, 해당 논문은 국제 학술지 어드밴스드 머티리어스(Advanced Materials)에 4월 7일자 온라인 게재되었다. 

※ 논문명 : Chiroferromagnetic Quantum Dots for Chiroptical Synapse

※ DOI : https://doi.org/10.1002/adma.202415366

이번 연구는 과학기술정보통신부, 한국연구재단 우수신진연구지원사업과 삼성전자 등의 지원을 받아 수행되었다. 

< 2 × 3 ChiropS 배열에서의 6채널 광 시냅스 작동 시연. a) L-시스테인 기반 Ag2S CFQDs(Chiral Ferromagnetic Quantum Dots)로 구성된 2 × 3 시냅스 배열의 소자 구조 개략도. 여섯 개 개별 소자는 각각 왼원편광, 오른원편광 및 세 가지 파장(405, 488, 532 nm)의 빛에 대응하는 여섯 채널에 할당되었다. b) 여섯 가지 조명 조건 하에서 다양한 게이트 전압에 따른 드레인 출력 전류. c) 여섯 채널에서 네 번의 프로그램/삭제(P/E) 사이클 동안의 동적 P/E 시연 결과. d) 여섯 시점(초기 삭제 상태, 네 번의 프로그래밍 상태, 최종 삭제 상태)에서의 각 시냅스에 걸린 전류를 색으로 표현한 히트맵 사진. >