나노 기술은 10억분의 1 수준의 정밀도를 요구하는 나노 과학을 통해 얻어진 결과물을 제어하고 디자인하는 기술로, 극미세가공 과학기술을 통해 수백 나노미터 정도 크기의 구조나 물질을 산업에 응용해 활용한다.

황인상 기자 his@

오늘날 나노 기술은 이차전지, 반도체소자, 디스플레이와 같은 미래전략산업의 핵심 소재로 자리잡고 있다. Global Nanomaterial Market에 따르면 세계 나노소재 시장 전망은 2021년 약 21조원에서 2031년 약 84조원으로 연평균 14.6% 성장을 전망하고 있다.

▲ 김정길 교수

광학 분야 최상위 국제저널에 해당 연구논문 게재 
현재 한국 나노소재 기술 수준은 2019년 기준 미국(100), 일본(90.6), 독일(86.5) 보다 낮은 것(83.6)으로 평가된다. 우리 정부가 나노소재의 경쟁력을 강화하기 위해 기술사업화 촉진과 산업 연계에 힘쓰고 있는 배경이다. 이러한 상황에서 김정길 제주대학교 자연과학대학 물리학과 교수의 행보가 화제다. 최근 주목을 받고 있는 김정길 교수는 고려대학교 물리학과 박홍규 교수의 공동연구로 뇌를 모방하는 1차원 나노 뉴로모픽 광소자를 개발, 해당 연구논문을 지난 2023년 5월 15일 Light: Science & Applications에 게재하였다. 이는 Impact factor 20.257의 광학 분야 최상위 저널로 연구적으로도 매우 큰 성과다. 현재 대부분의 컴퓨터에서 사용하고 있는 von Neumann 구조는 연산과 기억을 담당하는 CPU와 메모리로 구성이 되었다. 각 기능을 하는 회로의 서로 다른 처리 속도로 인해 발생하는 컴퓨터의 성능저하는 von Neumann bottleneck으로 잘 알려져 있다. 또한 소자의 크기가 매우 작아짐에 따라 큰 에너지 소비를 요구한다.

반면 인간의 뇌는 약 860억개의 뉴런과 100조개의 시냅스로 이루어져있으며 그 성능은 슈퍼컴퓨터와 비등한데 반해 단지 20 W의 적은 에너지 소비를 요구한다. 인공지능 시대에서 AI 소프트웨어의 개발뿐만 아니라 인간의 뇌를 모방하는 컴퓨터를 개발하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 인공지능 컴퓨터의 기본 구조를 이루는 소자를 뉴로모픽 소자라고 한다. 이는 연산과 기억을 동시에 처리하는 능력이 있으며 낮은 에너지 소비를 요구한다. 김정길 제주대학교 자연과학대학 물리학과 교수는 “지금까지는 주로 전압과 전류에 의해 구동되는 뉴로모픽 소자가 많이 개발되어왔다”면서 “최근에는 빛으로 구동하는 뉴로모픽 소자도 새롭게 소개가 되고 있는데, 주로 빛을 이용해 전류를 증가시켜 기억을 구현하는 방식이다. 본 연구에서는 실리콘 나노그레인 네트워크 구조를 이용하여 새로운 메커니즘을 기반으로 효과적으로 전류 침투 경로를 제어하고 기억하는 뉴로모픽 메모리를 시연하였으며, 특히 빛으로 전류 값을 낮추어 삭제 기능을 새롭게 선보였다. 특히 인접한 두 뉴로모픽 메모리를 사용하여 시냅스간 상호작용도 모사하는데 성공했다.”고 설명했다.

새로운 형태의 인공지능 하드웨어 발전을 위한 방향 제시
김정길 교수는 이번 연구를 통해 솔리드 코어/다공성 쉘 및 순수한 솔리드 코어 세그먼트를 포함하는 단일 실리콘 나노선 내부에 전류 침투 경로를 제어하는 새로운 메커니즘을 기반으로 나노그레인 네트워크 메모리를 개발했다. 이 단일 나노선 소자의 전류 레벨을 아날로그 및 가역적으로 전기적 및 광자적 제어하여 메모리 동작을 시연했다. 또한 메모리 강화 및 억제를 통해 시냅스의 기억과 삭제를 모방하는 특성을 입증하였다”고 설명했다. 특히 레이저를 사용하여 선형적인 광학적 전류 억제는 매우 새로운 결과이다. 또한 단일 나노선에 상호 연결된 두 개의 인접한 메모리 소자를 이용하여 시냅스 상호작용을 모사했다. 이와 같이 실리콘 나노그레인 네트워크에서 전류 침투 경로의 전기적 및 광자적 재구성과 뇌를 모방한 뉴로모픽 소자의 시연은 차세대 나노소자 기술 발전뿐만 아니라, 인공지능이 주역인 시대에서 새로운 형태의 인공지능 하드웨어 발전을 위한 길을 열어줄 것으로 기대된다.

한편 나노 및 응용 물리를 전공한 김정길 교수는 경희대학교 물리학과에서 박사학위를 취득하고, 고려대학교 및 Johns Hopkins University에서 박사 후 과정을 밟았다. 2020년부터 현재까지 제주대학교 물리학과에서 교수로 재직 중이다. 또한 국방부 정책자문위원으로 활동 중에 있다. 연구적으로는 반도체 나노구조의 제작 및 독특한 광학적, 전기적 특성을 연구하였고, 이를 이용하여 다양한 기능을 하는 나노 소자를 개발하였다. 주로 실리콘 나노선을 이용한 트랜지스터, 센서, 메디컬 소자 등을 개발하였으며, 특히 2017년 빛으로 구동하는 나노선 광트랜지스터 및 논리회로, 광센서를 개발하여 해당분야 최상위 저널인 Nature Nanotechnology에 논문을 게재한 바가 있다.