재료연, 몸에 부착하는 인공지능 반도체 소자 세계 최초 개발

체 부착이 가능한 웨어러블 엣지 뉴로모픽 반도체 소자 응용 모식도(左), 고유연 기판에 완성된 고집적 뉴로모픽 시냅스 소자 어레이 사진(右)

연구책임자인 재료연 김용훈 선임연구원, 공동연구자인 권정대 책임연구원, 윤종원 선임연구원, 논문 제1저자인 박병진 학생 연구원, 황승권 학생 연구원(사진 왼쪽부터)

과학기술정보통신부 산하 정부출연연구기관인 한국재료연구원(KIMS) 에너지전자재료연구실 김용훈 박사 연구팀이 리튬 이온 박막을 투명 유연 기판에 적용해 고집적, 고유연성을 가지는 차세대 뉴로모픽 반도체 소자를 세계 최초로 구현하는 데 성공했다.

본 기술은 유연 기판인 컬러리스 폴리이미드 위에 리튬이온을 초박막화해 플라즈마 화학 기상 증착법으로 저온에서 합성한 2차원 나노소재와 접목한 것으로, 고집적 및 고유연성을 가진 차세대 인공지능 반도체 소자를 개발하는 기술이다. 10~30㎜의 곡률 반경과 700번 굽혔다 폈다를 반복하는 유연 시험에도 뚜렷한 성능저하 없이 95% 수준의 높은 손글씨 패턴 인식률을 나타내는 것을 확인했다.

기존 인공지능 반도체 소자 연구는 대부분 단단한 실리콘 기판을 기반으로 소자를 구현해, 웨어러블 형태의 기계적으로 유연하면서도 고신뢰성을 가지는 시냅스 반도체 소자를 구현하기에 어려운 점이 있었다. 본 연구팀은 선행연구로 진행된 리튬이온 초박막화 공정과 300℃ 이하의 저온에서 2차원 나노 소재를 합성하는 기술을 접목해, 고유연 기판 위에 반도체 공정기술을 이용하여 고집적, 고유연 인공지능 반도체 소자를 개발할 수 있었다.

연구팀이 개발한 차세대 고집적 고유연 뉴로모픽 반도체 소자 기술은 기존 폰노이만 방식의 정보처리장치인 CPU와 정보저장장치인 메모리가 각각 필요하지 않고, 정보처리와 저장을 저전력으로 동시에 수행할 수 있는 뉴로모픽 반도체 소자 기술이다. 향후 웨어러블 저전력 지능형 센서 및 엣지 컴퓨팅의 핵심 소자로 활용이 가능하다.

연구책임자인 재료연 김용훈 선임연구원은 “이 기술이 상용화되면 웨어러블 사물인터넷 기기 간 빅데이터 처리에 필요한 데이터 증가와 처리 지연 문제를 해결할 수 있을 것”이라며, “또한 웨어러블 엣지 컴퓨팅과 신개념의 인공지능 햅틱 및 비전 센서 등 다양한 저전력 웨어러블 인공지능 디바이스까지 여러 분야에 확대 적용할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구성과는 과학기술정보통신부 지원으로 한국재료연구원 주요사업과 한국연구재단 소재혁신선도프로젝트를 통해 수행됐다. 또한 이번 연구 결과는 와일리에서 발행하는 세계적인 학술지인 ‘스몰 메소드’ 3월호에 게재됐다.

서명수 기자 seo.myongsoo@joongang.co.kr