[로이슈 전여송 기자] 동국대학교(총장 윤재웅)가 다중파장 광자극(405, 450, 520nm)을 활용한 고성능 뉴로모픽 컴퓨팅 시스템 구현에 성공했다고 1일 밝혔다.

동국대학교 전자전기공학과 이승준 석사(제1저자), 장희성 석사(공동 제1저자), 김성준 교수(교신저자)로 구성된 연구팀은 강유전성 HfZrOx(하프늄-지르코늄 산화물, 이하 HZO) 박막과 InGaZnO(인듐-갈륨-아연 산화물, 이하 IGZO) 채널을 결합한 FeTFT(Ferroelectric Thin-Film Transistor) 기반 소자를 개발하고, 다중파장(405, 450, 520nm) 광자극을 활용해 고성능 뉴로모픽 컴퓨팅 시스템을 구현했다.

이번 연구는 단일 소자에서 장기기억(LTM)과 단기기억(STM) 기능을 동시에 구현했다는 점에서 큰 의의가 있다. IGZO 채널(전기적 분극 스위칭)과 HZO 강유전체 박막을 결합한 FeTFT(광자극에 따른 지속적 광전도성(PPC) 메커니즘)를 결합해, 비휘발성 시냅스 특성과 광자극 기반 단기 메모리 특성을 단일 소자에서 동시에 구현한 것이다. 연구팀은 이를 통해 센싱–메모리–처리를 통합한 인-센서 컴퓨팅(in-sensor computing) 기반 차세대 하드웨어 아키텍처 가능성을 제시했다.

연구팀은 다중파장 광자극을 이용해 시냅스 가소성과 시간 누적 상태를 정밀하게 조절하며 기존 단일 파장 기반 소자의 한계를 극복했다. 실험 결과, 듀얼 파장(405+450nm) 조건에서 Fashion-MNIST 분류 정확도는 85.53%에 달했다.

또한, 연구팀은 소자의 하드웨어 완성도를 높이기 위해 공정 최적화를 수행했다. 후열처리와 게이트 금속 캡핑을 통해 HZO 박막의 정방정계 강유전성을 확보했으며, 전기적 PUND 측정과 GIXRD 분석을 통해 강유전 특성을 검증했다. 이와 함께 소자 내 광응답 특성을 체계적으로 분석해 광 통증수용체 모사·광 논리 연산(OR/AND 게이트)·파블로프식 연합 학습 등 고차원 생체 모사 기능을 구현했다.

김성준 교수는 “다중파장 광자극과 전기 자극의 시너지를 통해 단일 소자에서 다양한 뇌 모사 기능과 고성능 뉴로모픽 컴퓨팅을 구현할 수 있음을 입증했다”며, “저전력 동작과 높은 인식률을 기반으로 차세대 AI 반도체 하드웨어로 확장될 수 있을 것”이라고 기대감을 전했다.

본 연구 성과는 Synergistic multi-wavelength optical stimulation enhances synaptic dynamics and reservoir computing performance in ferroelectric thin-film transistors라는 제목으로, 국제 저명 학술지 'Nano Energy (IF=17.1)' 2025년 8월 온라인에 게재됐고 11월호에 출판 예정이다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단 중견연구 사업 '축적컴퓨팅 구현을 위한 리텐션 조절 가능한 하프늄 기반 강유전체 소자 기술'과 글로벌 기초연구실 '뉴로모픽 기술 기반 모빌리티 배터리 PHM 글로벌 기초연구실'의 지원을 받아 수행됐다.

전여송 로이슈(lawissue) 기자 arrive71@lawissue.co.kr