인공 시냅스·메타 광학 물질… 삼성미래기술육성사업 ‘결실’

남기태 교수, 아미노산 조합 ‘펩타이드’로 인공 시냅스 소자 구현…네이처 게재
노준석 교수, 메타 광학 물질 성능 향상 기술 개발…美 학술지 ACS 나노 게재

▲서울대 남기태(오른쪽 하단) 교수와 이윤식(왼쪽 하단) 교수, 연세대 권장연(왼쪽 상단) 교수와 연구팀 (출처=삼성전자 뉴스룸)

삼성미래기술육성사업이 뿌린 씨앗이 다양한 연구 분야에서 결실을 거두고 있다. 이번에는 뇌공학과 메타 광학 물질 분야에서 의미 있는 성과를 내며 새로운 가능성을 열었다.

삼성전자는 25일 삼성전자 뉴스룸을 통해 2014년부터 ‘삼성미래기술육성사업’의 지원을 받은 서울대학교 재료공학부 남기태 교수가 서울대학교 화학생물공학부 이윤식 교수, 연세대학교 글로벌융합공학부 권장연 교수와 진행한 공동 연구를 통해 세계 최초 펩타이드로 인공 시냅스 구현에 성공했다고 밝혔다.

뇌의 정보 처리 방식에 가까운 인공 시냅스를 만들어낸 남기태 교수의 이번 연구 성과는 11월 19일(영국 현지시간) 세계적 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재됐다.

최근 시냅스의 효율성을 모방해 인공지능 반도체에 활용하려는 연구가 활발히 진행됐다. 그러나 ‘전기’로 작동하는 전자 소자로 ‘이온’의 움직임이 중요한 시냅스의 연산 메커니즘을 모사하는 데는 한계가 있었다.

남기태 교수 연구팀은 인체를 구성하는 생체 물질인 ‘펩타이드’에서 해결책을 찾았다. 펩타이드는 생명체에서 신호를 전달하는 물질로, 20가지의 아미노산이 어떤 조합으로 이루어지는지에 따라 전기·화학적 기능이 달라진다.

연구진은 아미노산을 특정 방식으로 조합해 이온-전자 신호전달 메커니즘을 모사할 수 있는 펩타이드를 개발했고, 이를 가지고 인공 시냅스 소자를 세계 최초로 구현했다. 해당 소자는 전기를 사용해 정보를 저장하고 연산하는 기능을 수행할 뿐 아니라, 전기 없이 수소이온만으로도 기능 수행이 가능해 학계의 주목을 받았다.

남기태 교수는 “이번 연구는 펩타이드의 재료적 우수성을 활용하여 생명체의 효율성을 정밀 모사했다는데 큰 의미가 있다”며 “스스로 학습하고 판단하는 인공지능 반도체 연구의 기반이 될 기술을 마련한 것”이라고 소감을 밝혔다.

▲포스텍 기계공학과·화학공학과 노준석 교수 (출처=삼성전자 뉴스룸)

포스텍 기계공학과·화학공학과 노준석 교수는 메타 광학 물질의 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 기술을 개발했다. 물질을 구성하는 원자의 배치가 불규칙하게 배열된 규소, 즉 비정질 실리콘에 수소를 주입하는 방법을 고안해낸 것이다.

2019년부터 삼성미래기술육성사업이 지원한 이번 연구는 그 성과를 인정받아 지난달 22일(미국 현지시간) 미국 화학회(American Chemical Society, ACS)에서 발간하는 학술지인 ‘ACS 나노(ACS Nano)’에 게재됐다.

메타 광학 물질은 자연계에 존재하는 물질에서는 나타나지 않는 광학 현상을 구현할 수 있는 물질로, 영화에 등장하는 투명망토가 대표적인 사례다. 메타 광학 물질은 가시광선의 파장과 비슷한 크기의 나노 구조체를 이용해 제작하며, 보통은 구조가 일정한 패턴으로 배열되어 있다. 구조체의 간격 배열에 따라 광학 성능이 극대화된다는 사실은 알려져 있으나 그 원리는 미궁 속에 빠져 있었다.

노준석 교수팀은 나노 구조체가 특정한 간격에 있을 때 그 안에 빛이 갇히게 되어 광학 성능이 급격히 증가함을 발견했다. 나노 구조체의 크기와 간격을 조정해서 빛의 반사와 투과 정도를 임의로 제어할 수 있음을 이론으로 정립한 것. 이들은 비정질 실리콘 내부에 수소를 주입해 빈 공간을 확보하면 가시광선이 더 많이 통과할 수 있고, 그로 인해 광학 성능이 높아질 것이라는 아이디어에 주목했다. 즉, 메타광학 물질에 관한 새로운 이론에 신규 재료를 도입함으로써 메타 광학 물질의 성능을 기존 대비 3배 이상 향상한 것이다.

노준석 교수는 “이번 연구에서 제시한 이론은 나노 구조체를 이용한 메타 물질 설계의 근본적인 메커니즘을 규명한 것”이라며 “이 기술을 활용해 차세대 초박막 컬러 필터, 위변조 방지 장치 등에 활용할 수 있는 방법을 연구할 것”이라고 말했다.

삼성미래기술육성사업은 우리나라의 미래를 책임지는 과학 기술 육성을 목표로 2013년부터 1조5000억 원을 출연해 시행하고 있는 연구 지원 사업이다. 삼성미래기술육성사업은 지금까지 634개 과제에 8125억 원을 집행했으며, 국제학술지에 총 1294건의 논문이 게재되는 등 활발한 성과를 보이고 있다. 이 중 네이처(4건), 사이언스(5건) 등 최상위 국제학술지에 소개된 논문도 104건에 달한다.