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기존 환경 불안정적 특성 극복 가능성 발견
인하대학교(총장 조명우)는 신소재공학과 이문상·함명관 교수 연구팀(이하 연구팀)이 초저전력, 환경 안정성을 가진 차세대 인공 시냅스 소자를 개발해 뉴로모픽 엣지 컴퓨팅에 대한 적용 가능성을 확인했다고 17일 밝혔다.
뉴로모픽 반도체는 인간의 뇌 구조를 모방해 만든 반도체 칩이다. 대용량 데이터를 병렬 처리해 적은 전력으로도 복잡한 연산, 학습 등이 가능한 컴퓨팅 기술이다. 자율주행차, 드론, 음성인식 등 4차 산업혁명 분야에서 폭넓게 활용할 수 있는 차세대 반도체 산업 기술로 주목받고 있다. 뉴로모픽 반도체 내 소자는 인간 뇌의 뉴런(연산), 메모리는 시냅스(기억) 역할을 각각 담당한다.
뉴로모픽 반도체를 활용하기 위해선 시냅스(신경 세포 간 접합 부위)의 다양한 연결 강도를 표현하는 고성능 아날로그 인공 시냅스 소자가 필요하다. 특히 모바일 기기, 전자 피부 등 최종 사용자가 사용하는 기기에 뉴로모픽 칩을 사용할 때엔 낮은 전력으로 환경 안정적인 인공 시냅스 소자를 구현하는 게 중요하다.
하지만 실리콘 기반 기술 이후 소재로 각광받고 있는 2차원 나노 소재의 환경 불안정적 특성은 이를 이용한 차세대 인공 시냅스 소자 구현을 가로막는 원인으로 지목되고 있다.
연구팀은 2차원 나노 소재 물질 중 하나인 텔루린(Tellurene)을 합성해 구현한 인공 시냅스 소자의 초저전력, 소자 특성의 재구성 능력, 환경 안정성 특성을 분석한 뒤 차세대 뉴로모픽 엣지 컴퓨팅 적용 가능성을 확인했다. 텔루린은 높은 전하 이동도, 기계적 안정성 등의 특징을 갖고 있다.
연구팀은 수열합성법을 이용해 2차원 텔루린을 합성했고, 이를 인공 시냅스 물질로 정해 트랜지스터 구조의 인공 시냅스 소자를 구현했다. 인공 시냅스 소자가 약 100 펨토줄(fJ)의 초저전력 특성을 가지는 것을 확인했다. 특히 환경 안정 특성을 확인하기 위해 일반 가정에서 사용하는 세제를 이용해 시냅스 소자를 세탁 처리한 결과 환경 변화에 따른 2차원 텔루린 인공 시냅스 소자의 가소성(plasticity)이 시냅스 게이트에 의해 조절 가능하다는 것을 밝혔다.
이번 연구는 다양한 환경에서 사용될 수 있는 최종 사용자용 기기에 2차원 텔루린 인공 시냅스 소자가 사용될 수 있다는 점을 실험적으로 증명하고 전자 피부, 웨어러블 기기 등 엣지 컴퓨팅 기기로의 응용 가능성을 높였다는 평가를 받고 있다.
이문상 인하대 신소재공학과 교수는 “이번 연구성과는 최종 사용자를 타겟으로 한 차세대 고성능 인공지능 엣지 시스템을 구현할 수 있는 가능성을 확인하게 한 뜻깊은 결과물”이라고 말했다.
함명관 인하대 신소재공학과 교수는 “이번 연구를 통해 개발된 인공 시냅스 소자는 초저전력 특성을 가지면서 안정성도 높아 다양한 환경에서 사용 가능하다”며 “기존 나노 소재가 다양한 환경에 응용되기 어려운 단점을 극복할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
한편, 이번 연구결과는 재료공학 분야의 세계적인 학술지인 ACS Applied Materials & Interfaces 온라인판에 최근 표지논문으로 선정돼 게재됐다. 제1저자는 인하대 신소재공학과 석사과정인 윤지찬 학생이 이름을 올렸다. 신소재공학과 유보림, 김유나, 박진아, 박지향 학생이 공동저자로 참여했으며 이문상·함명관 교수가 공동교신저자로 함께 했다.
