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왼쪽부터 고려대 전기전자공학부 심재원 교수(교신저자), 경상국립대 나노·신소재공학부 이태경 교수(교신저자), 고려대 이민종 석박통합과정(제1저자). |
[대학저널 이선용 기자] 고려대학교 전기전자공학부 심재원 교수가 경상국립대 이태경 교수 연구팀과 함께, 수소결합을 활용해 세계적인 수준의 선형성과 안정성을 지닌 인공시냅스 소자 개발에 성공했다.
이번 연구 성과는 다학제 분야의 세계적 권위지인 ‘Advanced Materials(IF=26.8)’ 온라인에 지난 9월 1일 게재됐다.
인공지능(AI)과 사물인터넷(IoT)의 확산으로 데이터 처리 수요가 폭증하고 있다. 그러나 기존 컴퓨터 구조는 메모리와 연산 장치가 분리되어 있어 전력 소모와 지연이 크다. 이에 뇌 신경망처럼 기억과 연산을 동시에 수행하는 멤리스터 기반 인공시냅스 소자가 차세대 대안으로 주목받고 있다. 다만, 기존 소자는 이온 이동의 불안정성, 열 취약성, 비선형 전도 특성 등으로 대규모 인공지능 시스템 적용에 한계가 있다.
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수소결합 기반 인공시냅스 소자의 작동 원리와 성능의 전체 구조 개략도. |
연구팀은 이를 해결하고자, 멤리스터 기반 인공시냅스 소자에 수소결합을 적용했다. 구체적으로 페로브스카이트 소재에 폴리비닐알코올(PVA)을 결합시켜, 불안정한 이온 이동을 억제하고 결정 구조를 균일하게 성장시켰다.
그 결과, 개발된 소자는 전도 특성의 선형·대칭성이 기존 대비 10배 이상 향상되어, 세계적인 수준의 성능을 보였다. 또한 초저전력으로 구동되며, 5,000회 이상 반복에도 변동성 1.5% 미만, 85℃ 고온에서도 안정성을 유지했다.
특히, 9백만 장 이상의 구글 오픈 이미지 데이터셋을 적용한 실험에서 79.6% 분류 정확도를 달성했으며, 기존 디지털 AI 시스템과 1.62% 이내 차이를 보였다.
고려대 심재원 교수는 “이번 연구를 통해 수소결합을 활용해 페로브스카이트 인공시냅스의 불안정성과 비선형성 문제를 근본적으로 해결했다”며 “초저전력·고신뢰 인공시냅스를 구현함으로써 차세대 뇌 모사형 반도체 기술 실현의 가능성을 높였다”고 밝혔다.
한편, 이번 연구는 산업통상자원부 시장주도형 K-센서기술개발(RS-2024-00404389), 과학기술정보통신부 한국연구재단 중견연구사업(RS-2022-NR070314), 교육부·한국연구재단 LAMP 프로그램(RS-2023-00301974)의 지원을 받아 수행됐다.
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