[비욘드포스트 이봉진 기자] 동국대학교 시스템반도체학부 이세준 교수 연구팀이 음향 신호와 전기 신호를 단일 반도체 소자에서 함께 처리하고, 기억·학습·추론까지 수행할 수 있는 '음향-전기 커플링 효과 기반 인터랙티브 뉴로모픽 반도체 소자'를 개발했다.

이번 연구 성과는 표면탄성파 검출 기능과 강유전 메모리 기능을 하나의 반도체 플랫폼에 결합한 결과물이다. 이를 통해 다양한 외부 신호를 감지 및 연산하고, 기억과 학습·추론까지 가능한 새로운 형태의 인터랙티브 뉴로모픽 반도체 소자를 구현해 냈다.

사람의 뇌는 시각이나 청각, 촉각 등 다양한 감각 정보를 단순히 개별적으로 처리하는 데 그치지 않고, 여러 신호를 종합해 과거의 경험과 연결하여 상황을 판단한다.

연구팀은 이러한 뇌의 복합적인 정보처리 방식을 반도체 소자에서 구현하기 위해 강유전 트랜지스터 메모리 소자와 표면탄성 음향파 검출 소자를 일체화했다.

새롭게 개발된 소자는 표면탄성파의 진행 방향과 전기적 입력 조건에 따라 전류를 증가시키거나 감소시킬 수 있다. 이는 생물학적 신경망의 흥분 및 억제 작용을 그대로 모사한 것이다.

연구팀은 이 원리를 바탕으로 여러 입력 신호를 시간과 공간에 따라 종합해 반응하는 '시공간 정보통합', 입력 조건에 따라 연산 기능을 변화시키는 '논리함수 재구성형 연산', 서로 다른 자극의 관계를 기억하는 '파블로프식 연합학습', 나아가 '인간행동 인식 및 분류' 등 다양한 뇌 모사 정보처리 기능을 단일 소자 내에 구현하는 데 성공했다.

연구책임자인 이세준 교수는 "이번 연구는 음향-전기 커플링 효과와 강유전 메모리 효과를 하나의 반도체 소자에 결합해, 서로 다른 종류의 정보를 감지하고 기억하며 통합적으로 처리할 수 있는 새로운 뉴로모픽 소자를 구현했다는 점에 큰 의미가 있다"고 설명했다.

이어 이 교수는 "향후 다양한 센서 정보를 실시간으로 처리해야 하는 지능형 센서, 인간행동 인식 기기 및 저전력 엣지 AI 시스템 등 다양한 산업 분야에 폭넓게 활용될 수 있을 것"이라고 전망했다.

한편, 해당 연구 결과는 'Acoustoelectrically-Driven Ferroelectric Transistors Enabling Interactive and Adaptive Neuromorphic Computation'이라는 제목으로 나노과학 분야 저명 국제학술지 '스몰(Small, IF=12.1)'에 게재됐다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 핵심연구(RS-2023-NR076644)와 교육부 4단계 BK21 사업(2120231314742)의 지원을 받아 수행됐다.

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