AI 소자 기술 대격변 KAIST 카이럴 자성 양자점 세계 최초 개발

국내 연구진이 세계 최초로 광학적 카이랄성과 자성의 융합 특성을 가진 ‘카이럴 자성 양자점’을 개발하여,

이를 이용해 뇌와 같은 정보 처리 기능을 단일 소자에 결합시킨 고성능 인공지능(AI) 하드웨어의 새로운 패러다임을 제시했다.

염지현 교수와 한국과학기술원(KAIST) 신소재공학과 연구진은 빛에 비대칭적으로 반응하는 ‘카이랄성’과 자성을 동시에

가지는 양자점(CFQD)을 개발했다고 25일 밝혔다.

이 양자점은 인간 뇌 구조와 작동 방식을 모방한 인공지능 뉴로모픽 소자(ChiropS)로 구현되었다.

새롭게 개발된 카이럴 자성 양자점은 은황화물 기반의 무기 나노입자에 카이랄 유기물을 도입하여 합성한 것으로, 빛의 편광 방향에 따라 다양한 반응을 보인다.

특히 가시광 전 범위에서 각 편광에 따르는 상이한 반응을 보여 다채널 인식이 가능한 신경 시냅스 소자 플랫폼으로 활용된다.

물을 기반으로 친환경적으로 합성되어 높은 안정성을 가지고 있어 상업적 차별점을 지닌다.

연구진은 실리콘 위에 카이랄 자성 양자점을 활용한 은황화물층과 유기 반도체 펜타신을 적층한 시냅스 트랜지스터 구조를 제작했다.

해당 소자는 빛을 받으면 장기 기억 특성을 나타내고, 전기 펄스를 통해 초기화되는 전기 소거 기능을 구현하여,

짧은 시간 동안 광 펄스를 반복적으로 비추면 전류가 누적되며 단계적으로 증가하는 멀티 레벨 상태를 형성하는 것이 확인되었다.

이는 AI가 뇌처럼 학습하게 하며, 시냅스 가중치를 조절할 수 있어 다중 학습도 가능하다는 것을 의미한다.

연구진은 2×3 소자 어레이를 제작하여 다양한 편광과 파장의 빛을 비출 때 각 소자의 응답 전류가 명확히 구분되는 것을 확인했다.

총 9개의 정보를 병렬로 감지 및 처리할 수 있어 기존 대비 최소 9배 이상의 정보 처리 능력을 가진다.

온전한 빛을 받을 때도 복잡한 판단을 하는 스마트 센서처럼 작용하는데, 예를 들어 잡음을 걸러내고 신호를 증폭하는 자동 필터 역할을 수행한다.

손글씨 데이터에 노이즈를 추가해 통과시키면 핵심 정보만 남아 기존 컴퓨팅 기술 대비 최대 30% 적은 전력으로 작동 가능하다.

이번 연구로 광학적 카이랄성과 자기적 스핀 특성을 하나의 나노소재에 융합하여 기존의 편광 구분 기능과 장기 기억 성능을 동시에 확보하게 되었다.

단일 소자에 정보를 감지, 처리, 저장 및 초기화하는 기능이 결합되어 미래의 고성능 AI 하드웨어를 더 작고 효율적으로 설계할 가능성이 크다.

연구진이 개발한 카이랄 양자점을 이용한 광 시냅스 트랜지스터는 편광 구분, 멀티 파장 인식 및 전기 소거 등의 기능을

단일 소자에 집약해 고속·고지능·저전력 AI 시스템 구현의 중심 기술로 자리잡아 광 암호화, 보안 통신 및 양자 정보처리에 활용될 수 있다.

염지현 교수는 기존 양자점의 한계를 극복하기 위해 광학적 카이랄성과 자기적 스핀 특성을 융합한 새로운 개념의 양자점을 설계했다고 밝히며,

단일 소자가 다양한 편광과 파장을 처리하고 전기 신호로 초기화할 수 있는 기능을 갖춰 저전력·고정밀 AI 시스템 구현에 기여할 혁신적 플랫폼으로 역할을 할 것이라고 강조했다.

이번 연구 논문은 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’ 온라인판에 지난 7일 게재되었다.