연구자 인터뷰

초저전력 인공신경 회로용 멤트랜지스터 개발 | 서형탁 교수(아주대학교 신소재공학과)
최근 인공지능을 이용한 컴퓨팅이나 센싱을 위해 인간 신경세포의 정보처리 과정을 본뜬 인공 시냅스*를 구현하려는 노력이 이어져 오고 있는데요. 이 가운데 아주대 서형탁 교수 연구팀이 인간 신경세포와 유사한 수준의 초저전력에서 초고속으로 신호를 전달할 수 있는 멤트랜지스터를 개발하고 이를 토대로 신경회로 기능을 구현했습니다. *인공 시냅스 : 이온의 가변적 이동을 통해 전기적 신호전달이 이뤄지는 생체 신경조직의 가장 기본 단위체인 시냅스를 본 떠 전자소자로 구현한 것
멤트랜지스터는 일반적인 트랜지스터의 신호처리 기능에 신호를 강화하거나 약화하는 방식으로 학습기능을 더한 것인데요. 그 동안 입력신호 이력에 따라 학습이 가능하고 신호처리와 메모리 기능이 통합된 다차원 스위칭이 되는 소자의 개발이 시도되어 왔습니다. 하지만 저전력 구동, 고속 스위칭, 스위칭 신뢰성 모두를 만족시키기는 어려웠죠.
이에 연구팀은 외부자극에 의해 가역적으로 금속과 절연체 사이 급속 전이 스위칭이 가능한 바나듐 산화물을 기반으로 인공 시냅스로 활용할 수 있는 박막 소재를 개발했습니다. 나아가 개발한 이중층 소재로 3전극 트랜지스터를 제조, 생체 시냅스의 여러 기능을 초저전력, 초고속으로 모사하는 데 성공했습니다.
우리 뇌의 비결을 모사한 이번 연구성과는 향후 인공지능 컴퓨팅, 인공신경형 센서 장치, 빅데이터 처리, 로봇 공학 등의 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대됩니다. 연구팀은 상용화를 위해 상용 집적회로 수준으로 소자의 크기를 축소하는 것과 신호차이(on/off)를 극대화하는 후속연구가 필요할 것으로 보고 있습니다.
연구자 Q&A | 서형탁교수 | Q 연구를 시작한 계기나 배경은? A 바나듐 산화물은 소재 조성에 따라 매우 다양한 응용분야가 있다. 바나듐 산화물을 이용한 화학센서 연구를 위해 이산화 바나듐과 다른 조성의 물질을 연구하던 중 특이한 소자 특성이 발현되는 것이 인공지능형 메모리 적용 가능성이 있다고 판단되었다. 제어 가능한 인공 신경소자 적용을 위해 약 4년 동안 연구를 진행하였다. | Q 이번 성과, 무엇이 다른가? A 인공지능 컴퓨팅을 위해서 인공 신경소자 개발은 필수적이다. 기존 직접회로 방식과는 다른 새로운 반도체 소재 융합을 통해 초저전력 기능을 달성해야 한다. 이번 연구에서는 보고된 것 중 최저 수준의 스위칭 전력으로 인공 시냅스에 필요한 여러 기능을 성공적으로 달성하였다. 특히, 기존 집적회로 공정과 호환 가능한 소자 형성 공정 및 뛰어난 스위칭 신뢰성을 보인다는 측면에서 기존의 유사 연구와 명확히 차별화된다. | Q 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? A 소자 성능이 우수하고 현재 집적회로 공정에 호환되므로 인공지능 컴퓨팅과 인공신경형 센터 장치, 빅데이터 처리, 로봇 공학 등의 분야에 응요될 수 있을것으로 기대된다. 실용화를 위해 수십 nm 수준까지 소자의 크기를 줄이고, 신호 차이를 극대화하고, 비휘발성 메모리 기능을 보완하는 것이 필요하다.