뇌처럼 보고·판단·기억·초기화 가능한 단일 소자 구현… 차세대 AI 하드웨어 혁신 기반 마련

KAIST(총장 이광형) 신소재공학과 염지현 교수 연구팀이 광학적 비대칭성(카이랄성)과 자기적 특성을 동시에 갖춘 세계 최초의 ‘카이럴 자성 양자점(Chiral Ferromagnetic Quantum Dots, CFQD)’을 개발하고, 이를 기반으로 저전력·고정밀 인공지능 하드웨어 구현에 성공했다고 밝혔다.

기존 양자점은 발광 특성은 뛰어나지만 방향성이나 자성을 구현하는 데 한계가 있었고, 생물학적 뇌의 학습·기억 기능을 모사하기 어려웠다. 염 교수팀은 이러한 한계를 극복하고, 단일 소자 안에서 빛을 인식하고, 정보를 학습하고, 저장하고, 초기화하는 전 과정을 통합 구현하는 데 성공했다.

빛의 방향과 파장까지 인식하는 AI 뉴로모픽 소자

이번에 개발된 CFQD는 은황화물(Ag₂S) 기반의 무기 양자점에 카이랄 유기물인 시스테인을 도입해 합성됐다. 이 소재는 원형편광(Circularly Polarized Light)의 방향(LCP, RCP)을 구분할 수 있을 뿐만 아니라, 405, 488, 532nm 등 다양한 가시광 파장에 반응하는 멀티채널 특성을 지닌다.

염 교수팀은 이 양자점을 이용해 ‘ChiropS(Chiroptical Synapse)’라 명명한 뉴로모픽 소자를 구현했다. 해당 소자는 빛을 통해 정보를 학습하고, 전기 자극으로 기억을 초기화할 수 있으며, 다중 편광 인식, 멀티 파장 구별, 전기 소거 기능을 단일 소자에 집약한 최초의 광 시냅스 트랜지스터다.

단일 소자에 시각 정보 처리 기능 통합… 고지능 AI 가능성 제시

ChiropS 소자는 입력되는 빛의 편광과 파장에 따라 전류가 단계적으로 누적되거나 사라지며, 뇌처럼 정보를 기억하거나 지울 수 있다. 연구팀은 2×3 소자 어레이 실험을 통해 6개의 광 채널로 9개의 정보를 병렬 처리할 수 있음을 확인, 기존 대비 최소 9배 이상의 정보량을 처리할 수 있는 가능성을 입증했다.

또한, 이 소자는 노이즈가 포함된 시각 정보(MNIST 손글씨 이미지)를 자동으로 정제하는 기능도 구현해 잡음 필터링 기능까지 내장된 스마트 센서로서의 가능성도 보여주었다.

저전력·고정밀 AI 광컴퓨팅 시대 앞당겨

ChiropS는 단순한 센서나 광검출기를 넘어, 연산, 저장, 초기화 기능을 통합해 AI 신경망의 핵심 하드웨어 소자로서 활용 가능성이 높다. 실제 실험에서도 기존 전자 기반 대비 최대 30% 이상 낮은 전력으로 동작했으며, 외부 회로 없이도 다양한 편광 상태를 감지하고 처리할 수 있는 자기 내장형 반응 특성도 입증되었다.

이러한 특성은 향후 자율주행, 스마트 카메라, 영상 인식, 보안 통신, 양자 정보처리, 광 암호화 등 다양한 미래 기술에 적용될 수 있는 기반을 제공한다.

국제 학술지 『Advanced Materials』 게재… 전방위 기술 확산 기대

이번 연구 결과는 재료과학 분야의 세계적 권위 학술지인 『Advanced Materials』 4월 7일자 온라인판에 게재되었으며, KAIST 염지현 교수, 김경민 교수, 부경대 권준영 교수 등이 공동 저자로 참여했다.

해당 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 우수신진연구지원사업, 삼성전자의 연구지원을 통해 수행되었으며, 차세대 고속·저전력 광 기반 인공지능 시스템의 실현을 위한 핵심 기술로 평가받고 있다.

염 교수는 “카이랄성과 자성을 융합한 새로운 양자점의 설계를 통해 기존의 연산 소자가 가지던 한계를 극복할 수 있는 새로운 플랫폼을 제시했다”며 “AI 소자의 전력 효율성과 연산 정밀도를 동시에 만족시키는 차세대 뉴로모픽 기술의 기반이 될 것”이라고 강조했다.

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