고려대와 경상국립대 공동 연구팀이 수소결합을 활용해 안정성을 높인 인공시냅스 소자 개발에 성공했다.

고려대는 심재원 전기전자공학부 교수가 이태경 경상국립대 교수 연구팀과 수소결합을 활용해 세계적인 수준의 선형성과 안정성을 지닌 인공시냅스 소자 개발에 성공했다고 17일 밝혔다.

인공지능(AI)과 사물인터넷(IoT)이 일상화되면서 처리해야 할 데이터량이 기하급수적으로 늘고 있다.

문제는 현재의 컴퓨터 구조다. 기존 컴퓨터 구조에서는 메모리와 연산 장치가 분리돼 있어 전력 소모가 크고 속도도 느리다. 

반면 사람의 뇌는 기억과 연산을 동시에 수행한다. 뇌 신경세포를 연결하는 ‘시냅스’ 정보를 저장하면서 동시에 처리가 가능하기 때문이다. 이러한 이유로 뇌 신경망처럼 기억과 연산을 동시에 수행하는 멤리스터 기반 인공시냅스 소자가 차세대 대안으로 주목받고 있다. 

하지만 기존 인공시냅스는 내부 이온 이동이 불안정성하게 움직이고, 열에 약하며 전류가 인정하게 흐르지 않는 문제가 있었다. 이러한 불안정성으로 대규모 AI 시스템에 적용하기 어려웠다.

이에 연구팀은  멤리스터 기반 인공시냅스 소자에 수소결합을 적용했다. 페로브스카이트라는 차세대 반도체 소재에 폴리비닐알코올(PVA)을 결합해 불안정한 이온 이동을 억제하고 결정 구조를 균일하게 성장시켰다.

그 결과, 개발된 소자는 전도 특성의 선형·대칭성이 기존 대비 10배 이상 향상됐다. 신호가 기존보다 예측 가능하고 일정하게 전달된다는 의미다.

또 개발된 소자는 초저전력으로 작동하며서 5000회 이상 반복 사용해도 변동성이 1.5% 미만에 불과했다. 85℃ 고온에서도 안정성을 유지했다. 9백만 장 이상의 구글 오픈 이미지 데이터셋을 학습시킨 결과 79.6% 분류 정확도를 기록했다. 이는 기존 디지털 AI 시스템과 1.62% 차이에 불과한 수준으로 실용화 가능성을 입증했다.

심재원 고려대 교수는 “이번 연구를 통해 수소결합을 활용해 페로브스카이트 인공시냅스의 불안정성과 비선형성 문제를 근본적으로 해결했다”라며 “초저전력·고신뢰 인공시냅스를 구현함으로 차세대 뇌 모사형 반도체 기술 실현의 가능성을 높였다”라고 밝혔다.

연구 결과는 다학제 분야의 세계적 권위지인 ‘어드밴드스 머티리얼즈(Advanced Materials)’ 온라인에 지난달 1일 게재됐다.