사진. 카이스트

빛의 편광과 자성을 동시에 구현한 카이럴 양자점 개발
카이스트 연구진이 광학적 카이랄성과 자성 특성을 융합한 ‘카이럴 자성 양자점’을 개발하고, 이를 바탕으로 사람의 뇌처럼 시각 정보를 처리하고 학습·기억·초기화하는 기능을 단일 소재에 집적한 차세대 AI 소자를 구현하는데 성공했다.

카이스트 신소재공학과 염지현 교수 연구팀은 빛에 따라 비대칭 반응하는 카이랄성과 자성을 동시에 구현하는 특수 나노입자인 양자점(Chiral Ferromagnetic Quantum Dot, CFQD)을 개발하고, 이를 기반으로 인간 뇌의 정보 처리 과정을 모사한 뉴로모픽 소자 ‘ChiropS(카이롭스)’를 제작했다고 밝혔다.

은황화물(Ag₂S) 무기 나노입자에 카이랄 유기물질인 L- 또는 D-시스테인을 접목해 합성됐다. 이 소재는 405, 488, 532㎚ 등 가시광 전 영역에서 원형 편광(LCP, RCP)에 따라 상이한 반응을 보이며, 다중 채널 빛 인식이 가능한 고성능 시냅스 소자 구현에 핵심적인 역할을 한다. 특히 물 기반으로 친환경적이고, 합성 안정성이 뛰어나 상업화 가능성에서도 경쟁력이 높다는 평가를 받고 있다.

염지현 교수는 “기존 양자점 기술로는 빛의 편광 방향에 반응하고, 자성을 띠는 기능을 동시에 구현하기 어려웠다”라며 “이번에 개발한 소재는 두 가지 특성을 동시에 가지며, 하나의 소자에서 감지, 처리, 기억, 초기화까지 가능한 AI 하드웨어 플랫폼의 전환점이 될 수 있다”라고 강조했다.

단일 소자에서 시각 정보 감지·학습·저장·초기화 구현
ChiropS는 카이럴 자성 양자점층과 유기 반도체 펜타신 층을 실리콘 위에 적층한 구조로 제작됐다. 이 소자는 빛을 받으면 장기기억(LTP) 특성을 나타내고, 전기 펄스로 초기화할 수 있는 ‘전기 소거’ 기능을 동시에 구현해, 인간 두뇌의 시냅스처럼 학습과 적응이 가능한 기능을 갖춘 것이 특징이다.

실제로 연구팀은 광 펄스를 반복해 조사했을 때 전류가 점진적으로 증가하며 다단계로 변화하는 멀티 레벨 상태를 구현했다. 이는 시냅스 가중치 조절이 가능함을 의미하며, 인공지능 학습 구조에서 필수적인 조건으로 간주된다. 아울러 2×3 어레이 구조를 구현해, 각 소자에 서로 다른 편광과 파장의 빛을 조사했을 때 응답 전류가 명확하게 구분되는 것을 확인했으며, 이를 통해 총 9개의 정보를 병렬로 감지·처리할 수 있는 성능을 입증했다.
또한 이 소자는 광 입력에 따라 신호를 스스로 걸러내는 ‘자동 필터링’ 기능도 구현한다. 손글씨 이미지(MNIST)에 가우시안 노이즈를 추가한 데이터를 입력했을 때, 고주파 잡음이 효과적으로 제거되고 핵심 정보만 남는 결과가 나타났으며, 이에 따라 최대 30%의 전력 절감 효과도 확인됐다.

연구팀은 이번 연구 성과가 광 암호화, 보안 통신, 양자 정보처리 등 다방면의 응용 가능성을 열 것으로 기대하고 있다. 특히 기존 반도체 기반 컴퓨팅 구조가 아닌, 빛 기반 정보 처리와 저전력 메모리 기능을 통합한 ‘광 구동 AI 하드웨어’ 분야에서 선도적인 기술로 평가된다.

이번 연구는 국립부경대학교 나노융합공학전공 권준영 교수(전 카이스트 박사후연구원)와 카이스트 신소재공학과 김경민 교수 연구팀의 전재범 박사가 공동 제1저자로 참여했으며, 국제학술지 Advanced Materials에 온라인 게재됐다. 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 우수신진연구지원사업, 삼성전자의 지원으로 수행됐다.