“3차원 반도체 적층 한계 돌파구 찾았다”

빛으로 학습하는 인공 시신경 반도체 소자 개발

- 단일 공정 3차원 모놀리식 집적 및 차세대 뉴로모픽 비전 실현 기대

성균관대학교(총장 유지범) 기계공학부 김태성 교수 연구팀이 단일 황화 플라즈마 공정으로 반데르발스 결정의 구조를 원하는 형태로 설계해, 빛으로 작동하며 인간의 시신경(뉴런)과 시냅스 동작을 소자 수준에서 모방하는 광전자 시냅스 소자를 개발했다고 밝혔다. 연구팀은 이 소자를 설계형 반데르발스 결정(designable van der Waals crystal)이라 명명했으며, 빛 자극만으로 학습과 기억을 형성하고 되살리는 인공 시신경 동작을 구현했다.

인공지능과 초연결 시대가 본격화되면서 방대한 영상 데이터를 실시간으로 감지하고 처리하는 뉴로모픽 비전 시스템의 필요성이 커지고 있다. 인간의 시각 시스템인 망막과 시각피질은 높은 집적도와 낮은 에너지로 빛을 감지하고 영상을 전처리한다. 특히 빛으로 신경세포의 활동을 정밀하게 제어하는 광유전학은 뇌의 학습과 기억을 조절하는 중요한 단서를 제공한다. 빛 신호에 따라 전도도가 변하는 광전자 시냅스는 이러한 지능형 시스템의 핵심 구성 요소로 주목받고 있다.

반데르발스 물질은 우수한 광 특성과 기계적 유연성, 원자층 수준의 얇은 두께 덕분에 광전자 시냅스의 유망한 소재로 꼽힌다. 그러나 상용화를 위해서는 세 가지 한계를 넘어야 했다. 첫째 결정립과 층간 삽입(인터칼레이션)을 정밀하게 제어하기 어렵고, 둘째 적층 계면에 고분자 잔류물과 기계적 뒤틀림이 생기며, 셋째 대면적에서 균일한 결정성을 확보하기 어렵다는 점이다.

연구팀은 생체막의 빛 감응 이온 채널과 층상 반데르발스 격자가 구조적으로 닮았다는 점에 착안했다. 이를 바탕으로 벌크 반데르발스 레늄 셀레나이드 (ReSe₂)에 아르곤과 황화수소(Ar + H₂S) 혼합 플라즈마 황화 공정을 적용했다. 이 공정에서는 반데르발스 층 사이의 계면이 손상 없이 그대로 보존된 채 2D/3D 구조가 형성되며, 윗부분은 나노 크기의 결정 알갱이로 이루어진 초박막 나노결정층으로, 아랫부분은 벌크 단결정층으로 만들어진다. 이때 초박막 나노결정층은 이온 채널이 자리한 시신경 세포막에, 그 아래 벌크 단결정층은 세포 내부에 해당한다.

초박막 나노결정층에 형성된 결정립계는 황 이온의 이동 경로를 원자 수준에서 가두어, 세포막의 이온 채널이 이온을 선택적으로 여닫듯이 시냅스 가중치를 무작위가 아니라 결정론적으로 제어한다. 그 결과 세포막과 세포 내부로 나뉜 두 층 구조가 빛 자극에 반응해 신호를 만들고 전달하는 시신경 세포의 동작을 소자 수준에서 그대로 모방하게 된다. 이러한 구조를 별도의 증착이나 배선 공정 없이 단일 공정만으로 완성했다는 점도 의미가 크다.

연구팀은 주사탐침현미경(Scanning Probe Microscopy) 측정으로 황 이온의 이동을 단계별로 규명했다. 황 이온은 처음에는 같은 층 안에서 이동하다가, 이어서 층 안과 층 사이가 결합된 이동으로, 마지막에는 층 사이 이동으로 순차적으로 전환되었다. 가하는 전압 펄스의 세기와 폭을 조절하면 이 이동 경로를 정밀하게 제어할 수 있으며, 이것이 시냅스 가중치 변화의 근본 원리임을 규명하였다.

초박막 나노결정 ReSe₂ 소자는 빛 펄스 수를 5번에서 20번까지 늘릴수록 전도도가 단계적으로 증가하는 다단계 전도도 변조를 보였다. 또한 생물학적 시냅스와 유사한 장기강화(LTP)와 장기억제(LTD), 짧은 간격의 두 자극에서 두 번째 반응이 커지는 쌍펄스 촉진(PPF), 그리고 단기기억에서 장기기억으로의 전환(STM에서 LTM)을 구현했다. 파장 515nm의 빛을 광세기 0에서 250mW/cm² 범위로 조절하자 일시적인 전도도 상태가 오래 유지되는 장기기억 상태로 안정화되었다.

연구팀은 학습과 망각, 재학습으로 이어지는 실험에서 초박막 나노결정 ReSe₂가 벌크 ReSe₂보다 기억 유지 효율이 34.7퍼센트 향상되었음을 확인했다. 첫 학습에서 초박막 나노결정 ReSe₂는 1.98nA의 시냅스 후 전류를 보여 벌크의 1.10nA를 크게 앞섰다. 망각 이후 재학습 과정에서는 초박막 나노결정 ReSe₂가 23번의 펄스만으로 같은 전류를 회복한 반면 벌크는 31번이 필요해, 이전 학습의 흔적이 남아 더 적은 자극으로 기억을 되살리는 메타 가소성을 보였다. 나아가 연구팀은 자연 영상의 윤곽선 검출(엣지 검출)과 CIFAR-10 이미지 인식 과제에 소자를 적용해 96.24퍼센트의 인식 정확도를 달성했으며, 소자 수준의 시냅스 가소성을 시스템 수준의 뉴로모픽 연산으로 확장했다.

김태성 교수는 "이번 연구는 반데르발스 물질의 구조 자체를 원하는 대로 설계해 빛으로 학습하고 기억하는 인공 시신경 소자를 단일 공정으로 구현했다는 점에서 의미가 크다. 기존 소자가 안고 있던 이온 이동의 무작위성과 계면 문제를 구조적으로 해결했으며, 차세대 뉴로모픽 반도체와 인공지능 하드웨어 연구에 폭넓게 활용될 수 있을 것"이라고 밝혔다.

본 연구는 한국연구재단의 리더연구와 기초과학연구원(IBS), 산업통상자원부의 반도체 특성화대학원 사업 등의 지원으로 수행되었다. 연구에는 성균관대학교를 비롯해 IBS 양자나노과학 연구단, 한국기계연구원이 공동으로 참여했다. 해당 연구 성과는 세계적인 국제학술지 Advanced Materials (IF 26.8, JCR 상위 1퍼센트 이내)에 6월 3일 온라인 게재되었다.

논문명: Designable van der Waals Crystal for Artificial Neuronal Cell Mimicking

저자명: 교신저자 김태성, 1저자 이진형, 김건형, 이동호, 손서우, 석현호

게재 학술지 및 게재일: Advanced Materials, 6월 3일 온라인 게재

논문 링크: https://doi.org/10.1002/adma.73595

▲ 연구 그림 빛으로 작동하는 설계형 반데르발스 결정 기반
인공 시신경 광시냅스 소자의 구조와 동작 원리 (사진제공=성균관대학교)

[언론보도 내역]

“빛으로 학습하는 인공 시신경 반도체 소자” [YTN 사이언스]

https://science.ytn.co.kr/program/view.php?mcd=0082&hcd=0047&key=202606121601481569

“성균관대, 빛으로 학습·기억하는 인공 시신경 반도체 개발” [뉴스1]

https://www.news1.kr/society/education/6190766

“성균관대, 빛으로 학습하는 인공 시신경 반도체 소자 개발” [이데일리]

https://www.edaily.co.kr/News/Read?newsId=03703126645479752&mediaCodeNo=257&OutLnkChk=Y


“성균관대 김태성 교수팀 '빛으로 학습하는 인공 시신경 반도체 소자' 개발” [베리타스알파]

https://www.veritas-a.com/news/articleView.html?idxno=613739


“성균관대, 빛으로 학습하는 인공 시신경 반도체 개발” [내일신문]

https://www.naeil.com/news/read/591311?ref=naver


““인간의 눈·뇌 똑같이 닮았다”… 성균관대, ‘빛’으로 학습·기억하는 차세대 AI 반도체 소자 전격 개발” [스마트경제]

http://www.dailysmart.co.kr/news/articleView.html?idxno=125192


“성균관대 연구팀, 빛으로 학습·기억하는 광전자 시냅스 소자 단일 공정 구현” [뉴스티앤티]

https://www.newstnt.com/news/articleView.html?idxno=705462


“성균관대, 빛으로 학습하는 인공 시신경 반도체 소자 개발” [이데일리]

https://www.edaily.co.kr/News/Read?newsId=03703126645479752&mediaCodeNo=257&OutLnkChk=Y


 “성균관대 김태성 교수팀, “빛으로 작동하는 인공 시신경 시대 연다” [이뉴스투데이]

http://www.enewstoday.co.kr/news/articleView.html?idxno=2436639

[TechXpolre] Engineered van der Waals crystal mimics neuronal cells with light-driven learning

https://techxplore.com/news/2026-06-van-der-waals-crystal-mimics.html


[EureKalert] Designable van der Waals crystal realizes artificial neuronal cell mimicking with light

https://www.eurekalert.org/news-releases/1132264


[AlphaGalileo] Designable van der Waals Crystal Realizes Artificial Neuronal Cell Mimicking with Light

https://www.alphagalileo.org/en-gb/Item-Display/ItemId/274140?returnurl=https://www.alphagalileo.org/en-gb/Item-Display/ItemId/274140


[Nanowerk] Engineered crystal pathways turn light pulses into synaptic memory

https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=69592.php?utm_source=rss&utm_medium=rss


[Miragenews] Van Der Waals Crystal Mimics Neuronal Cells With Light

https://www.miragenews.com/van-der-waals-crystal-mimics-neuronal-cells-1692944/#google_vignette

[Analytica-world] Ein gestaltbarer van-der-Waals-Kristall ermöglicht die Nachahmung künstlicher Nervenzellen mithilfe von Licht

https://www.analytica-world.com/de/news/1188953/ein-gestaltbarer-van-der-waals-kristall-ermoeglicht-die-nachahmung-kuenstlicher-nervenzellen-mithilfe-von-licht.html?utm_medium=rss&utm_campaign=news&utm_group=awportal-de&utm_source=%2Fnews%2Frss&WT.mc_id=ca0181

[HAYKA] Создан электронный синапс, имитирующий нейрон

https://naukatv.ru/news/razrabotchiki_pokazali_elektronnyj_sinaps_rabotayuschij_kak_nejronnaya_sistema