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전기 대신 '빛'으로 작동하는 AI 칩 세계 첫 구현...전력 30%↓, 정보량 9배↑

기존의 양자점 기술로는 빛의 방향성과 자기 성질을 동시에 구현하기 어렵다. 양자점이 대칭적인 구조를 갖고 있는 반면, 빛의 방향성은 비대칭성을 띠는데다 자기 성질과 충돌하기 때문에 이의 통합에는 구조 충돌 등 물리, 화학적 한계가 생긴다. KAIST 연구진이 이 해답을 '카이럴 양자점'에서 찾았다. KAIST(총장 이광형)는 신소재공학과 염지현 교수 연구팀이 빛에 의해 비대칭 반응하는 카이랄성과 자성을 동시에 갖는 특수 나노입자인 양자점(CFQD)을 세계 최초로 개발했다고 25일 공개했다. 이 양자점 기술은 사람의 뇌처럼 정보를 보고, 판단하고, 저장하고, 지우는 기능을 하나의 소자에 담을 수 있다. 고성능 AI 하드웨어에 적용 가능하다. 연구진은 이 양자점 기술로 저전력 인간 뇌 구조와 작동 방식을 모방한 인공지능 뉴로모픽 소자(ChiropS)인 광 시냅스 트랜지스터를 구현하는데 성공했다고 덧붙였다. 편광 구분, 멀티 파장 인식, 전기 소거 등 다양한 기능을 하나의 소자에 집약했다. 향후 고속·고지능·저전력 AI 시스템은 물론, 광 암호화, 보안 통신, 양자 정보처리 등에도 폭넓게 응용될 수 있을 것으로 연구진은 기대했다. 카이랄 자성 양자점은 은황화물(Ag₂S) 기반의 무기 나노입자에 카이랄 유기물(L-또는 D-시스테인)을 합성한 것으로 빛의 편광 방향(원형 편광)에 따라 서로 다르게 반응한다. 405, 488, 532㎚ 등 가시광 전 영역에서 다채널 인식이 가능하다. 또한, 물을 기반으로 친환경적으로 합성한 것도 장점이다. 뇌처럼 학습 및 망각 기능 동시 구현 가능 연구팀은 또 실리콘 위에 카이랄 자성 양자점을 활용해 은황화물층과 유기 반도체 펜타신을 적층한 시냅스 트랜지스터도 제작했다. 이 소자는 빛을 받으면 장기기억 특성(LTP)을 나타내고 전기 펄스를 입력하면 초기화 된다. 뇌처럼 학습과 망각 기능을 동시 구현하는 것이 가능하다. 또한, 반복적인 짧은 광 펄스(레이저 빛)을 비추면 점진적으로 전류가 누적되어 멀티 레벨 상태를 형성한다. 이는 뇌처럼 인공지능이 학습하게 하는 시냅스 가중치 조절과 유사하다. 다중 학습도 가능하다는 의미이다. 연구진은 2×3 소자 어레이를 제작해 서로 다른 편광과 파장의 빛을 각각 비추었을때, 각 소자의 응답 전류가 뚜렷이 구분되는 것을 확인했다. 6개의 채널을 통해 총 9개의 정보를 병렬로 감지하고 처리한다. 기존 시스템 대비 최소 9배 이상의 정보 처리 효율을 나타냈다. 스마트 센서처럼 반응...자동 필터링 역할도 이 소자는 빛(광)을 일정하게 받아도 복잡한 판단을 해주는 스마트 센서처럼 반응한다. 잡음(노이즈)을 걸러내고 신호를 증폭할 수 있는 기능을 소자 자체에 내장하고 있는 것처럼 자동 필터링 역할을 한다. 실제 손글씨(MNIST) 데이터에 잡음과 같은 가우시안 노이즈를 추가하고 소자에 통과시킬 경우, 고주파 잡음이 줄고 핵심 정보만 살아남는 효과를 확인했다. 연구진은 이를 통해 기존 컴퓨팅 기술 대비 최대 30% 적은 전력으로 구동이 가능했다고 설명했다. 염지현 교수는 "단일 소자에 감지(보기), 처리(판단), 기억(저장), 초기화(지우기) 기능을 통합할 수 있어 향후 고성능 인공지능 하드웨어를 더 작고 효율적으로 만들 가능성도 높다. 저전력·고정밀 AI 시스템을 위한 혁신적인 플랫폼이 될 것"으로 기대했다. 연구는 국립부경대학교 나노융합공학전공 권준영 교수(전 KAIST 박사후연구원)와 KAIST 신소재공학과 김경민 교수 연구팀의 전재범 박사가 제1 저자로 참여했다. 연구결과는 국제 학술지 어드밴스드 머티리얼스 온라인판(4월7일)에 게재됐다.

2025.04.25 10:44박희범

KAIST "야간 투시경보다 수만 배 감도 적외선 센서 원천기술 확보"

국내 연구진이 일반 야간 투시경보다 수만 배 높은 감도를 갖는 적외선 센서 원천기술을 확보했다. KAIST는 전기 및 전자공학부 이정용 교수 연구팀이 콜로이드 양자점을 활용해 기존 대비 85배의 전자를 생성할 수 있는 아발란체 전자 증폭 기술을 개발했다고 8일 밝혔다. 아발란체 전자 증폭 기술은 강한 전기장이 인가된 반도체에서 전자가 인접 원자와 충돌하면서 다수의 전자를 생성하는 신호 증폭 기술이다. 최근 양자 큐비트 기술 분야에서는 결정질 반도체를 활용한 아발란체 광다이오드 소자를 사용 중이나 열잡음이 높고, 극저온 구동이 필요하다는 한계가 있었다. 이를 극복하기 위해 과학기술계에서는 화학적으로 합성된 반도체 나노입자인 콜로이드 양자점을 이용했다. 그러나 이 방법도 열잡음 생성은 억제하지만, 전하 이동도가 낮고, 양자점 표면에서 자주 발생하는 불완전 결합과 전하 재결합이 일어나 전하 추출이 쉽지 않았다. 이를 KAIST 연구진이 해결했다. 연구진은 아발란체 전자 증폭 기술을 이용했다. 연구진은 강한 전기장을 인가해 전자를 가속하는 방법으로 운동에너지를 얻고, 인접 양자점에서 다수의 추가 전자들을 생성함으로써 상온에서 적외선 조사 시 신호가 85배 증폭되는 것을 확인됐다. 정보전자연구소 김병수 연구원은 "1.4×10의 14승 존(Jones: 탐지감도단위) 이상의 탐지 감도를 가지는 소자를 구현했다"며 "이는 일반 야간 투시경보다 수만 배 정도 높은 감도"라고 설명했다. 적외선 광검출기는 자율주행차부터 양자컴퓨팅에 이르기까지 다양한 응용 분야에서 핵심적인 역할을 하지만, 기존 양자점 기반 기술은 민감도와 잡음 문제로 한계가 있었다. 이정용 교수는 "이번 연구는 새로운 패러다임 전환을 불러올 기술로 기대된다"며 "원천 기술을 선점함으로써 글로벌 양자 기술 시장을 대한민국이 주도할 수 있는 중요한 기술적 토대를 확보했다"고 평가했다.

2025.01.08 16:19박희범

한-불 연구진, 광산화에 안정적인 반도체 양자점 합성 첫 성공

한국과 프랑스 연구진이 광산화 반응에 안정적인 반도체 양자점 합성에 성공했다. 한국연구재단은 성균관대학교와 프랑스 툴루즈 국립응용과학원 공동 연구팀이 인듐 포스파이드(InP) 나노결정의 표면 화학적 특성을 분자 수준에서 규명하고, 광산화 반응에 안정적인 반도체 양자점 합성에 성공했다고 17일 밝혔다. 인듐 포스파이드는 인듐과 인으로 구성된 이진 반도체를 말한다. 또 양자점은 빛으로 자극하면 입자 크기에 따라 색이 달라지는 반도체 나노 결정이다. 차세대 발광 소자로 주목 중이다. 다만, 이 결정 크기가 나노미터 수준이어서 광이나 대기 노출에 취약하다. 연구팀은 양자점 특정 면에서 이 문제의 해답을 찾았다. 양자점 특정 면(111면)에서 광산화 반응에 강한 저항성을 보인다는 사실을 밝혀, 노출면에 따른 표면화학이 소재의 물리·화학적 성능 조절에 핵심적인 역할을 한다는 것을 입증했다. 정소희 교수는 "미세한 나노입자의 표면을 정밀하게 제어, InP 나노결정에서 발생하는 화학 반응을 분자 수준에서 체계적으로 규명한 최초의 사례"라고 말했다. 정 교수는 “향후 디스플레이와 태양전지, 센서와 같은 광전자 소자 수명을 연장하고 성능을 개선하는 데 기여할 것"으로 기대했다. 연구성과는 국제학술지 저널 오브 더 아메리칸 케미컬 소사이어티(11월20일)에 게재됐다.

2024.12.17 18:26박희범

SDT, 200억 원 규모 프리-IPO 투자 라운드 '성공리에 마무리'

양자표준기술 전문기업 SDT(대표 윤지원)가 200억원 규모의 Pre-IPO 투자 유치를 성공리에 마무리했다고 3일 밝혔다. SDT는, 지난 8월 리드 투자사인 신한벤처투자의 100억원 투자 유치 외 최근 DS자산운용, IBK투자증권, 스페이스타임인베스트먼트, 무림, BYB인베스트먼트 등으로부터 100억원의 투자자금을 추가 모집하며 200억원 규모의 Pre-IPO 투자 라운드를 마감했다. 이번 Pre-IPO 투자에 앞서서는 DS자산운용, GS, KB인베스트먼트, AG인베스트먼트, K2인베스트먼트 등으로부터 270억원 규모의 시리즈 A 및 B 투자를 유치한 바 있다. 이번 Pre-IPO 투자가 마무리됨에 따라 2025년 하반기를 목표로 하고 있는 국내 1호 양자기술기업 IPO 준비에도 속도를 낼 전망이다. SDT는 양자컴퓨터 제조에 필요한 양자 제어장비(얽힘, 중첩을 제어하는 필수장비) 상용화와 함께 초전도체, 중성원자, 이온 트랩, 실리콘 스핀, 다이아몬드 NV 센터 등 다양한 물리 플랫폼을 아우르는 호환성과 기술 노하우를 보유했다. 양자 컴퓨팅 글로벌 생태계 내 풍부한 파트너십, 그리고 기술 전반의 광범위한 지식재산권(IP)들을 보유한 국내 유일의 양자 컴퓨터 제조 기업이다. 최근에는 애니온 테크놀로지스와의 초전도 양자컴퓨터 개발 및 공급을 위한 합작법인(JV) 설립, 핀란드 소재 실리콘 기반 양자 프로세서(QPU) 개발 전문기업 세마이콘(SemiQon)과의 파트너십 등을 진행했다. SDT는 이번 Pre-IPO 투자를 계기로, 한국 최초의 상용화된 양자컴퓨터 제조 및 클라우드 서비스를 위한 양자컴퓨팅 데이터센터 구축과 함께 국방, AI, 제약 및 화학 등의 산업분야에서의 양자 상용화 기술 도입에도 박차를 가할 예정이다. 또한, 보안 위협을 원천 차단하고 다양한 군사작전 수행을 지원하는 양자난수발생(QRNG)과 양자점(Quantum Dot) 기술 기반 카메라 등의 양자 솔루션 상용화에도 속도를 낸다는 계획이다. 이번 Pre-IPO 투자 결정과 관련, 조범준 BYB인베스트먼트 대표는 " SDT가 보유한 독보적인 기술력과 글로벌 생태계에서의 파트너십 확장 가능성을 높이 평가했다”며, “국내를 넘어 글로벌 양자기업으로 성장이 기대된다”고 전했다. 윤지원 대표는 “2025년 국내 최초 양자기술 상장기업으로의 더 큰 도약을 준비하며, 양자 컴퓨팅 분야에서 선도적인 위치를 확고히 다지기 위한 노력에 더욱 매진할 것”이라고 덧붙였다.

2024.12.03 09:54박희범

SDT, 국방 분야 '철벽보안'…악천후에도 잘 보이는 '양자 카메라' 2종 첫 공개

양자표준기술 전문기업 SDT(대표 윤지원)가 국방 분야의 새로운 혁신을 이끌어낼 양자 기술 기반 솔루션이 탑재된 카메라 2종을 처음 공개했다. SDT는 오는 25일부터 28일까지 나흘간 일산 킨텍스 전시장에서 열리는 대한민국방위산업전 'DX KOREA 2024'에 참가, 이들 카메라를 전시한다고 23일 밝혔다. 이번에 공개하는 카메라 2종은 각각 양자난수발생(QRNG)과 양자점(Quantum Dot) 기술이 적용됐다. 우선 모델명 '노드브이(NodeV)는 이미지 생성부터 영상 전송까지 전 과정에 양자난수발생(QRNG) 기술이 적용됐다. 해킹을 원천 차단하는 양자암호보안 IP 카메라다. 예측할 수 없는 순수 난수 생성...완벽 보안 가능 기존 IP 카메라는 백도어 해킹이나 스파이칩 등으로 이미지 및 영상 유출 사고가 지속 발생해 왔다. 최근엔 육·해·공 전방에 설치된 카메라가 외부 세력의 악성코드에 감염되었을 가능성이 제기되며 CCTV 1천300대를 전면 철거하기도 했다. 또 흔히 사용되는 카메라는 풀기 어렵지만 규칙을 가지고 있는 '유사 난수'를 암호 원천으로 사용하기 때문에, 향후 양자 컴퓨터가 상용화되면 쉽게 무력화될 가능성도 있다. 이에 반해 '노드브이'는 철벽 보안을 유지하면서도 중앙 서버로 데이터를 옮길 필요 없이 현장에서 실시간 데이터 분석이 가능하다. 국내에서 개발한 순수 원천기술을 이용해 이미지 센서에서 발생하는 암전류 노이즈를 양자 엔트로피의 원천으로 활용, 고속으로 순수난수를 생성한다. 이 때문에 외산 카메라 백도어 문제와 데이터 유출 등의 우려가 없다. SDT 관계자는 "보안문제로 고민하는 국가기관이나 군사시설 등 높은 보안 수준이 요구되는 현장에서 사용하기 적합하다"고 설명했다. 육안으로 감지 불가능한 상황에서도 뛰어난 가시성 제공 이번 전시에서는 '노드브이'와 함께 양자점 SWIR 카메라도 선보인다. 이번에 선보이는 양자점 카메라는 기존 열화상 카메라에 지난해 노벨 화학상 수상자의 연구 분야인 양자점을 활용한 양자센싱 솔루션을 탑재했다. 이미지 기반으로 방대한 영역의 온도 측정이 가능하고, 육안으로 감지가 불가능한 상황에서도 뛰어난 가시성을 나타낸다는 것이 SDT 측 설명이다. SDT 관계자는 "기존 인듐 갈륨 비소 (InGaAs, Indium Gallium Arsenide) 카메라 경우 제조과정이 복잡하고, 높은 공정 비용 등으로 시장 확대에 어려움이 있었다"며 "반면 양자점 카메라는 훨씬 합리적인 가격으로 비슷한 성능을 발휘하는데다, 400~1천700㎚ 파장대를 흡수할 수 있어 투과성이 뛰어나다"고 부연 설명했다. 이 같은 폭넓은 파장대는 극히 어두운 장소나 악천후, 연기 등으로 시야가 가로 막혀 육안으로 감지가 불가능한 상황에서도 뛰어난 가시성을 나타낸다. 또한 소형·경량화로 농업, 생명과학, 통신 등 다양한 산업현장은 물론 감시나 정찰 임무 등의 군사 작전 등에서도 활용이 가능하다. 윤지원 SDT 대표는 “국방과 보안 분야는 날로 발전하는 사이버 위협과 정보 유출 시도 등에 대한 대응을 위해 지속적인 기술적 혁신이 필요한 영역”이라며, “이번에 공개한 QRNG 카메라와 양자점 SWIR 카메라는 국방 분야에서의 보안과 감시 기술을 혁신적으로 향상시킬 수 있는 최첨단 솔루션"이라고 말했다. 윤 대표는 또 "향후 다양한 국가 시설 보안 및 군사 작전 등에서 중요한 역할을 담당해 나갈 수 있을 것”이라고 말했다. 한편 SDT는 내년 하반기 IPO에 진입할 계획으로, 준비 작업에 박차를 가하고 있다.

2024.09.23 09:54박희범

손에 잡힐 듯 생생한 AR/VR 양자점 디스플레이 "눈앞"

자발광 풀컬러 양자점 디스플레이를 구현할 수 있는 핵심 기술이 개발됐다. 이 기술을 활용하면 생동감 넘치는 증강·가상현실(AR/VR)용 디스플레이를 만들 수 있다. 한국연구재단은 UNIST 최문기 교수, DGIST 양지웅 교수, IBS 현택환 나노입자연구단장 등이 공동으로 이중층 건식 전사인쇄기술을 개발했다고 3일 밝혔다. 1저자인 유지수 석박통합과정생(UNIST 신소재공학과)과 이경훈 석박통합과정생(DGIST 에너지공학과)은 "대면적 가능성까지만 확인했다"며 "실용화를 위한 대면적 후속연구가 필요하다"고 말했다. 손목이나 눈에 착용하는 웨어러블 디스플레이는 작은 화면에 다양한 정보를 담아야 한다. 착용 시 어지러움 증상 때문에 이를 막기 위한 초고해상도 패터닝 기술이 필요하다. 최근 이 대안 기술로 양자점 나노 입자가 주목받고 있다. 양자점 나노입자는 높은 색순도와 색재현도를 가졌다. 그러나 도장으로 양자점 잉크를 찍어 기판에 옮기는 기존의 건식 전사 인쇄기술로는 초고해상도 픽셀 구현은 가능하지만, 발광효율이 5%이하라 실제 디스플레이로는 활용이 어렵다. 연구팀이 적은 전류로도 밝은 빛을 낼 수 있는 발광층-전자전달층 이중층 건식전사 인쇄기술로 이 문제를 해결했다. 연구팀은 고해상도 화소 패터닝(적녹청 필셀을 형성) 기술을 새로 개발하고, 초고해상도와 고효율을 동시에 충족하는 발광소자를 제작하는데 성공했다. 이 고밀도 이중층 박막은 발광소자 제작 시 계면 저항을 감소시켜 전자 주입을 원활하게 한다. 연구팀은 "누설 전하의 이동이 제어돼 최대 23.3%의 높은 외부양자효율(EQE)을 나타냈다"고 설명했다. 이는 양자점 발광소자의 최대 이론효율과 유사한 수치다. 외부양자효율은 전류를 흘려 넣어준 전자가 빛을 내는 광자로 변환되는 효율을 말한다. 또한 연구팀은 이 박막을 이용해 최대 2만526 PPI(가로,세로 1인치내 픽셀수) 양자점 초고해상도 패턴(약 400㎚)을 구현하고, 반복 인쇄를 통해 8x8㎝ 대면적화에도 성공했다. 일단 대량 생산 가능성은 확인한 셈이다. 연구팀은 "2.6 ㎛ 두께의 초박막 QLED 소자를 제작, 웨어러블 디스플레이로의 활용 가능성도 확인했다"고 덧붙였다. 최문기 교수는 “뛰어난 색 재현도와 색 순도를 가진 양자점을 스마트 웨어러블 장치 등에 광범위하게 적용할 수 있을 것"으로 기대했다. 최 교수는 또 "가상현실(VR) 및 증강현실(AR)에 더 높은 해상도의 화면을 구현, 몰입감을 크게 높일 수 있다"고 언급했다. 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 선도연구센터, 우수신진연구 등의 지원으로 수행됐다. 연구결과는 국제학술지'네이처 포토닉스 (Nature Photonics)'(8월 2일)에 게재됐다.

2024.08.03 20:00박희범

ETRI, 반도체 레이저 생산단가 "6분의 1로 확 낮춰"

국내 연구진이 반도체 레이저 생산단가를 기존 대비 6분의 1로 대폭 줄일 수 있는 기술을 처음 개발했다. 한국전자통신연구원(ETRI)은 광통신부품연구실이 유기화학 기상 증착장비(MOCVD) 시스템을 이용해 양자점 레이저를 대량생산하는데 성공했다고 8일 밝혔다. 양자점 레이저는 밀도가 높아야 하는 데이터센터 통신용 광원이나 밀도가 낮은 양자통신 단광자광원 등에 주로 쓰인다. 특히, 데이터센터는 통신 과정에서 열이 많이 발생생하기 때문에 양자점 레이저같은 전력 소모가 적은 설비가 유용하다. 연구팀은 MOVID를 이용해 갈륨비소(GaAs) 기판 위에 인듐비소/갈륨비소(InAs/GaAs) 양자점 레이저 다이오드를 구현했다. 이는 광통신용 1.3㎛ 파장대역으로 활용 가능하다. 기존에는 양자점 레이저 다이오드 제작에 분자선증착장비(MBE)를 이용했다. 그러나 이 장비는 증착 속도가 느리고, 생산 효율이 낮아 양산에 어려움이 컸다. 연구팀은 MOCVD를 활용해 양자점 레이저 생산성을 크게 높였다. 이 레이저는 양자점 밀도가 높고, 균일한 것이 장점이다. 최대 75℃까지 연속 동작한다. 기판 결함이 다소 있더라도 장애가 거의 없다. 기판 대면적화도 가능하다. 이 기술은 또 기존 통신용 소자인 인듐인 기판대비 제조 단가가 3분의1 이하다. 연구책임자인 김호성 박사는 "6인치 갈륨비소(GaAs) 기판을 사용하기 때문에 통신용 반도체 레이저 제조 비용을 최대 6분의1 이하로 낮출 수 있을 것"으로 내다봤다. 김 박사는 또 "저전력 광원개발로 소비 전력도 획기적으로 줄일 수 있었다"며 "유기화학기상증착법의 결과로는 세계 최고 수준"이라고 설명했다. 한원석 광통신부품연구실장은 "이 기술은 결함이 있는 대면적 기판 활용도 가능해 공정 시간 단축 및 소재 비용 절감에 유리할 것"이라고 말했다. ETRI는 이기술을 고도화하고, 신뢰성을 높여 연구에 참여 중인 국내 'O' 광통신 부품 제작업체에 기술이전한다는 계획이다. 이 'O'업체는 ETRI 통신용 반도체 파운드리를 통해 핵심 기술과 인프라를 지원받아 제품 상용화 시기를 단축할 계획이다. 김호성 박사는 "현대사회에서 광통신은 우리 산업의 대동맥과 같다"며 "향후 아파트단지에서 대도시, 해저 광케이블까지 연결하는 광통신용 광원개발에 획기적인 전기가 될 것"으로 전망했다. 이 연구에 참여한 충북대학교 금대명 교수는 “양자점 대량 생산 기술은 향후 고가의 광통신 소자의 생산 단가를 낮출 수 있어 국가 광통신 부품 산업의 경쟁력을 강화뿐만 아니라, 기초과학 연구 분야에도 크게 기여할 것"으로 전망했다. 한원석 실장은 “이 연구 결과는 상업성과 원천성을 동시에 확보한 사례로 향후 광통신용 반도체 레이저 산업의 패러다임을 바꿀 수 있는 중요한 결과”라고 덧붙였다. 이 연구결과는 SCI(국제과학논문색인)에 등재돼 있는 '저널 오브 알로이즈 앤 컴파운즈'에 최근 게재됐다. 연구 예산은 ETRI 기본사업인 'ICT 창의기술 개발'과제로부터 지원 받았다.

2024.05.08 09:43박희범