비가 내리거나 안개가 자욱하게 낀 날씨에 찍힌 자동차 번호판은 인공지능(AI)도 판독률이 50% 이하로 떨어지기 십상이다. 국내 연구진이 사람의 망막을 흉내 낸 반도체 센서를 개발해 이 같은 잘못된 인식률을 90% 이상으로 끌어올리는 데 성공했다. 광주과학기술원(GIST) 반도체공학과, 한양대 에리카캠퍼스 전자공학부 공동연구팀이 카메라에 들어오는 빛의 세기에 따라 밝고 어두운 부분의 차이를 키워 흐릿한 영상을 더 선명하게 만드는 반도체 기술을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구 결과는 재료과학 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈’에 실렸다. 일반 카메라는 촬영 영상을 별도의 프로세서로 보내 대비를 높이거나 잡음(노이즈)을 제거한다. 반면 사람의 망막은 일부 시각 신호를 억제해 밝고 어두운 부분의 차이를 두드러지게 만들고 물체의 윤곽을 구분하는 데 도움을 준다. 연구팀은 이런 인간 망막의 신호 억제 기능에 주목했다. 연구팀은 일반 카메라에서 하는 영상 처리 작업의 일부를 센서에서 바로 수행할 수 있도록 했다. 센서가 빛을 감지하는 동시에 일부 영상 처리까지 수행하는 ‘인-센서 영상 처리’ 기술은 외부 프로세서로 보내야 할 데이터의 양을 줄여 전력 소모와 처리 지연을 줄일 수 있지만 기존 기술 가운데 일부는 빛의 세기에 따라 적절한 작동 조건을 별도로 선택해 소자를 제어해야 한다. 연구팀은 매우 얇은 반도체 물질 이셀레늄화텅스텐(WSe2)을 이용해 망막의 신호 억제 기능을 구현함으로써 작동 상태에 따라 신호를 줄이는 정도가 달라지는 트랜지스터를 개발했다. 이 트랜지스터와 빛을 감지하는 광센서를 연결해 광센서가 빛을 받아 만든 전기 신호에 따라 트랜지스터의 작동 상태가 달라지도록 했다. 빛의 세기에 맞춰 신호를 줄이는 정도가 자동으로 조절되는 것이다. 연구팀은 이런 영상 처리 방식을 여러 개의 광센서에 적용해 밝고 어두운 부분이 섞인 영상에서도 제대로 작동하는지 확인했다. 알파벳 ‘G’ 모양의 신호에 약한 노이즈를 섞어 입력한 결과 글자를 이루는 강한 신호는 비교적 유지된 반면 주변의 약한 노이즈는 줄어 ‘G’의 윤곽이 더 뚜렷해졌다. 연구진은 이런 영상 처리가 이미지를 학습하고 구별하는 인공 신경망의 문자 인식에도 도움이 되는지 확인하기 위해 비나 안개 등으로 영상에 노이즈가 생기는 상황을 가정한 시뮬레이션을 진행했다. 그 결과, 깨끗한 문자 이미지를 학습한 인공지능에 노이즈가 포함된 이미지를 그대로 입력했을 때 인식 정확도는 47.7%였지만 같은 이미지에 이번 영상 처리를 적용한 뒤 입력했을 때는 97.3%로 높아졌다. 강동호 GIST 교수는 “이번 연구는 들어오는 빛의 세기 자체를 이용해 별도의 조명 조건 판단 없이 픽셀 단위에서 영상 신호를 조절할 수 있음을 보여줬다는 데 의미가 있다”며 “향후 자율주행과 같이 실시간 영상 전처리 기능이 필요한 초저전력·고성능 AI 반도체 개발에 중요한 기반이 될 것”이라고 말했다.

DGIST 에너지공학전공 이종수 교수 연구팀은 빛을 전류나 전압으로 변환하는 포토트랜지스터에서의 새로운 이종접합 구조를 개발하고, 이를 이용해 광전류 생성 위치와 노이즈 전류 생성의 원인을 규명했다. 이번 연구는 향후 태양전지 및 다양한 광전류 생성 소재 및 소자 연구에 중요한 지표를 제공할 것으로 기대된다. 이차원 물질은 물질을 구성하는 원자들이 마치 종이처럼 얇게 하나의 층으로만 구성돼 있는 물질을 뜻한다. 그 중에서도 ‘전이금속 디칼코게나이드(TMDC)’는 우수한 물리적 성질과 전기적 특성을 지닌 차세대 반도체 물질로, 포토트랜지스터 제작 응용과 관련해 많은 관심을 받고 있다. 하지만 광전류 생성 원리 및 전하 균형 최적화 등 다양한 조건을 만족해야 한다. 이에 이 교수 연구팀은 광전류 생성에 충분한 에너지 확보를 위해 서로 다른 세 종류의 TDMC를 붙여 새로운 구조의 포토트랜지스터를 개발했다. 개발된 포토트랜지스터는 양극의 텅스텐 디셀레나이드(p?WSe2), 음극의 이황화텅스텐(n?WS2)과, 이황화몰리브덴(n?MoS2) 세 종류의 TDMC를 접합된 이종접합 포토트랜지스터로, 이 교수 연구팀은 개발한 포토트랜지스터를 이용해 광전류가 생성되는 정확한 위치 분석과 전류량 측정 연구를 진행하는데 성공했다. 이 교수 연구팀은 실시간 광전류 매핑시스템을 자체 개발해 광전류 생성의 정확한 위치를 정확하게 분석할 수 있도록 했다. 또한, 전자와 정공 사이의 전하 균형에 따라 플리커 노이즈와 샷 노이즈의 원인 분석 연구도 함께 진행했는데, 이는 연구가 부진했던 노이즈 측정법 연구를 통해 새로운 측정방식을 제안해 그 의미가 깊다고 할 수 있다. 이처럼 이번 연구는 향후 2차원 소재 및 하이브리드 소재를 이용한 태양전지, 광센서, 전계발광소자 개발에 필요한 광전류 생성 원리와 위치 등을 정확히 규명·추적했다는데 그 의미가 깊다. 이를 통해 향후 고효율 광전소자 개발에 중요한 지표를 제공할 것으로 기대된다. DGIST 에너지공학전공 이종수 교수는 “이차원 TMDC 소재의 우수성을 잘 활용하면 새로운 물성 확보 및 소자특성을 개선한 전자 및 광전소자 개발이 가능할 것이라는 생각에 연구를 시작하게 됐다”며 “아직은 실용화를 위해 다양한 연구가 추가적으로 필요한 상황이라 계속해서 연구에 집중해나갈 예정”이라고 말했다. 이 연구는 DGIST 에너지공학전공 나현수, 정민혜 석박통합과정생이 공동 주저자로 참여했으며, 한국연구재단의 중견후속과제 및 DGIST Pre-CoE 연구과제 지원하에 수행됐다. 연구결과는 재료과학, 물리학 분야의 최고 분야지중의 하나인 Advanced Science에 지난 8월 18일 게재됐다. 대구 한찬규 기자 cghan@seoul.co.kr

DGIST는 신물질과학전공 이재동 교수 연구팀과 바이오융합연구부 김현민 박사 연구팀이 이차원 반도체 물질인 이셀레늄화텅스텐(WSe2)이 가지는 특정한 빛 파장 주파수를 조합해 다양한 빛과 밝기를 변환할 수 있는 ‘이중공명 합 주파수 생성’ 방법을 최초로 발견했다고 8일 밝혔다. 인류의 문명은 빛을 다루기 위한 노력을 통해 발전해 왔다. 다양한 빛의 생성과 변환기술은 근현대의 산업과학기술부터 광통신, 광의료, 광에너지 등 미래첨단분야에 이르기까지 활용되고 있다. 빛에너지는 진동을 하는 다양한 주파수를 가지고 있으며, 빛의 원리를 이용해 반도체 물질이 가진 주파수를 활용한 광연구가 다각도로 진행 중이다. 반도체는 전기전도율을 조절 가능한 물질로써, 전자가 존재할 수 없는 에너지 금지대를 사이에 두고, 전자가 존재하는 가전자대와 전도대가 연속적인 에너지밴드로 이뤄져 있다. 에너지밴드 내에 특정 주파수의 빛인 광펄스(light pulse)가 입사되면 에너지의 진동 폭이 급격하게 늘어나는 공명이 일어난다. 이 때 전자들이 에너지 금지대를 통과해 활발하게 이동하면서 새로운 전류나 빛이 생성된다. 이러한 에너지 밴드의 공명을 조절해 빛의 색 변환 효율을 높이기 위한 연구가 진행 중이나, 대체적으로 낮은 효율 때문에 어려움이 많은 실정이다. DGIST 연구팀은 차세대 반도체소재로 각광받는 이차원 물질인 이셀레늄화텅스텐(WSe2)이 가시광선에 반응하면서 빛 흡수율이 높아 여러 개의 공명 주파수를 가지는 특성에 주목했다. 연구팀은 이셀레늄화텅스텐에 입사되는 두 개의 광펄스를 같은 출력으로 조절해 더욱 강력한 두 개의 공명이 동시에 발생하는 것을 확인했다. 이를 통해 색의 변환과 더불어 극대화된 고출력의 광펄스가 방출됨을 확인할 수 있었다. 이번 성과는 단일공명을 활용한 기존 방식에 비해 2개의 공명을 이용해 빛의 파장이 20배 이상 손쉽게 증폭 가능했기 때문에 다양한 광학기술에 활용 가능한 무궁한 잠재성을 가지고 있다. DGIST 신물질과학전공 이재동 교수는 “빛의 출력 증폭과 고효율로 빛의 색 변환이 이차원 물질에서 손쉽게 가능함을 규명했다”고 말했다. 이번 연구는 DGIST 신물질과학연구소의 김영재 박사가 제1저자로 참여했으며, 나노 과학·기술 분야 국제학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 5월 18일자 온라인판에 게재됐다. 대구 한찬규 기자 cghan@seoul.co.kr