국립부경대-KIST, AI 비전센서 핵심기술 개발

2차원 금속 전극 활용 고성능 광전자소자 구현
AI 비전센서·엣지컴퓨팅 적용 가능성 확인
국제 저명 학술지 논문 게재 성과

이 이미지에는 2차원 금속 전극을 이용한 광전자 소자의 구조 모식도.(사진=국립부경대 제공)

차세대 인공지능(AI) 비전센서와 저전력 반도체 기술 발전을 앞당길 수 있는 핵심 연구 성과가 국내 연구진에 의해 나왔다.

국립부경대학교와 한국과학기술연구원(KIST) 공동연구팀은 2차원(2D) 반도체 성능을 높일 수 있는 2차원 금속 전극 기술을 개발하고 이를 활용해 고성능 광전자소자와 인-센서 컴퓨팅(In-sensor Computing) 기능 구현에 성공했다고 5일 밝혔다.

이번 연구는 국립부경대 장지수 교수와 KIST 차세대반도체연구소 양자기술연구단 황도경·문효원 박사 공동연구팀이 수행했으며, 연구 결과는 재료공학 분야 국제학술지 <Materials Science and Engineering R: Reports(IF 26.8)>에 게재됐다.

◆ 2차원 반도체 한계 극복 실마리 제시

2차원 반도체는 원자 몇 개 층 두께의 초박막 소재로 차세대 저전력 전자소자와 AI 비전 시스템 구현을 위한 핵심 소재로 주목받고 있다.

하지만 반도체와 전극이 만나는 계면에서 발생하는 결함과 페르미 준위 고정 현상은 소자 성능을 떨어뜨리는 주요 원인으로 지적돼 왔다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 다양한 2차원 금속 전극 구조를 설계하고 전극 특성이 광전자 성능에 미치는 영향을 체계적으로 분석했다.

그 결과 2차원 금속 전극은 기존 금속 전극과 달리 반도체 표면 손상을 최소화하고 결함이 거의 없는 계면을 형성하는 것으로 확인됐다. 또한 광발광과 온도 의존 전기적 특성 분석을 통해 계면 결함과 페르미 준위 고정 현상이 효과적으로 억제되는 사실도 입증했다.

◆ AI 비전센서 구현 가능성 높여

연구팀은 여러 종류의 2차원 금속을 광전자소자에 적용한 결과 전극의 일함수(work function)가 광검출 성능을 결정하는 핵심 요소임을 밝혀냈다.

특히 염소가 도핑된 2차원 금속 셀렌늄화주석(Cl-SnSe₂)을 전극으로 활용한 경우 광검출기의 선형 동적 범위는 135dB, 광전변환효율은 13.6%를 기록하며 우수한 성능을 나타냈다.

연구진은 나아가 개발된 광전자소자를 활용해 센서 내부에서 영상 정보를 직접 처리하는 인-센서 컴퓨팅 기능도 구현했다. 실험 결과 기존 금속 전극 기반 소자보다 이미지 처리 성능이 크게 향상된 것으로 나타났다.

장지수 교수는 "이번 연구는 2차원 금속 전극의 특성이 광전자소자 성능에 미치는 영향을 체계적으로 규명한 성과"라며 "향후 AI 비전 시스템과 차세대 저전력 광센서, 엣지 컴퓨팅 등 다양한 첨단 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

한편 이번 연구는 국립부경대학교 신임교수 학술연구비 지원사업과 과학기술정보통신부 KIST 주요사업, 중견연구사업 지원을 받아 수행됐다.

부산=김성욱 기자