부산대 김지희 교수팀, 전원 없이 작동하는 ‘생각하는 센서’ 개발 – “빛으로 감지하고 스스로 연산하는 차세대 AI 하드웨어”

1D-2D 반데르발스 이종접합 기반 인센서 이미지 처리 기술 구현… 초저전력 엣지 AI 시대 여는 핵심 원천기술

부산대학교(총장 최재원) 물리학과 김지희 교수 연구팀이 성균관대학교 최재영 교수 연구팀과 공동으로, 전력 공급 없이도 빛을 감지하고 스스로 연산을 수행하는 자가구동형 인센서 이미지 처리 소자(In-sensor Image Processing Device)를 개발했다. 이번 연구는 감지와 연산이 하나의 소자 안에서 동시에 이루어지는 ‘하드웨어 기반 AI 비전 플랫폼’ 구현의 길을 열었다는 점에서 주목받고 있다. 성과는 재료과학 분야 세계적 권위 학술지 『어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)』 10월 31일자 온라인판에 게재됐다. 논문명은 *“Van der Waals integration of 1D Nb₂Pd₃Se₈ and 2D WSe₂ for gate-tunable in-sensor imaging processing”*이며,
DOI는 10.1002/adma.202500011이다.

연구팀은 1차원 나노선(Nb₂Pd₃Se₈)과 2차원 나노면(WSe₂)을 결합한 반데르발스(van der Waals) 이종접합 구조를 이용해 게이트 전압만으로 전류의 방향과 극성(양·음)을 자유롭게 제어할 수 있는 자가구동형 광센서를 제작했다. 이 소자는 외부 전원을 연결하지 않아도 빛의 세기와 방향에 따라 스스로 전류를 생성하며, 게이트 전압의 변화에 따라 전류의 부호를 전환(polarity switching)할 수 있다. 이 기능은 센서 내부에서 신호 가중치 조절이나 이미지 필터링과 같은 연산 기능을 직접 수행할 수 있게 해, 기존의 이미지 센서처럼 별도의 프로세서가 필요 없는 초저전력 지능형 하드웨어 시스템 구현이 가능하다.

실험 결과, 개발된 소자는 응답속도 3μs(백만분의 1초), 광응답도(photoresponsivity) 232mA/W, 외부양자효율(EQE) 77%, 탐지율(Detectivity) 6.25×10¹⁰ Jones 등의 탁월한 성능을 보였다. 이는 자외선부터 근적외선에 이르는 넓은 파장 영역에서 작동하며, 광신호를 전기신호로 변환하고 연산까지 수행할 수 있는 초고속 하드웨어 이미지 프로세서로 활용 가능함을 의미한다.

이번 연구는 기존 소프트웨어 중심의 인공지능 기술을 넘어, 센서 그 자체가 ‘데이터를 생각하고 처리하는 하드웨어’로 진화할 수 있음을 실험적으로 입증했다는 점에서 의미가 크다. 김지희 교수는 “감지와 연산이 한 소자에서 동시에 일어나는 구조를 구현한 것은 인센서 이미지 처리(In-sensor Computing) 기술의 핵심 성취”라며, “이 기술을 Vision AI(시각 인공지능)와 Edge AI(엣지 인공지능)의 전처리 단계에 적용하면 별도 전력이나 고성능 칩 없이 실시간 데이터 분석·노이즈 제거·특징 추출을 수행할 수 있다”고 설명했다. 그는 또 “자율주행차, 로봇비전, 생체 모방 감각 시스템 등 미래 지능형 기기의 핵심 기술로 발전시킬 계획”이라고 밝혔다.

이번 연구는 기존 반도체의 전자적 구조에 광학적 제어 기능을 결합함으로써, 빛-전류-정보 처리의 경계를 허문 융합형 나노소자 플랫폼을 제시했다. 이는 향후 광컴퓨팅(Optical Computing), 엣지 AI 칩셋, 스마트 이미지 센서 등 차세대 초저전력 하드웨어 AI 기술로 확장될 전망이다.

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