텔루륨·이황화레늄 이종구조 활용… 빛만으로 동작 상태 바꾸는 차세대 인-센서 컴퓨팅 제시
KAIST 연구진이 빛의 방향 정보를 활용해 스스로 동작 상태를 조절하는 차세대 편광 센서 배열 기술을 개발했다. KAIST는 생명화학공학과 서준기 교수 연구팀이 빛의 특정 방향 진동 성질인 편광 정보를 활용해 최적 상태를 찾아 동작을 바꾸는 ‘자가 재구성’ 편광 센서 배열 기술을 개발했다고 12일 밝혔다. 이번 기술은 기존 이미지 센서가 빛의 밝기 정보만 감지하던 한계를 보완하고, 자율주행과 의료 진단 등 고차원 시각 정보 처리가 필요한 분야에 적용될 가능성이 제시됐다.
최근 인공지능과 데이터 처리 기술이 빠르게 발전하면서 적은 에너지로 많은 정보를 효율적으로 처리하는 차세대 비전 시스템의 필요성이 커지고 있다. 기존 이미지 센서는 주로 빛의 세기 정보만을 감지하기 때문에 물체의 방향성, 표면 구조, 3차원 형태와 같은 정보를 정밀하게 파악하는 데 한계가 있었다. 연구팀은 이 한계를 극복하기 위해 빛의 진동 방향까지 함께 인식할 수 있는 편광 기반 센서 기술을 개발했다. 편광 정보는 물체의 표면 구조와 방향성, 물질 특성을 반영하는 광학 신호로, 야간이나 저대비 환경에서 물체를 구분하거나 생체 조직의 구조적 차이를 분석하는 데 활용될 수 있다.
이번 연구에서는 텔루륨과 이황화레늄이라는 서로 다른 2차원 소재를 결합한 이종구조가 활용됐다. 두 물질은 결정 방향에 따라 빛에 대한 반응이 달라지는 이방성 특성을 갖는다. 연구팀은 두 물질의 방향 의존적 성질을 직교하도록 설계해, 하나의 소자 안에서 상반된 편광 감도를 구현했다.
두 물질을 정밀하게 쌓기 위해 연구팀은 에피택셜 원자층 증착 공정을 적용했다. 원자층 단위로 물질을 성장시키고 결정 구조를 제어하는 방식으로, 두 물질의 결정 구조가 정확히 맞물리도록 구현했다. 이를 통해 기존 반데르발스 적층 방식보다 높은 재현성과 확장성을 확보했다.
이번 기술의 핵심은 외부 전기 신호 없이 빛만으로 센서의 동작 상태를 바꿀 수 있다는 점이다. 연구팀은 빛이 조사될 때 물질 경계에서 전하 이동과 포획이 일어나며, 빛의 세기와 파장, 방향 조건에 따라 전류 방향이 뒤집히는 양극성 광응답이 나타나는 것을 확인했다. 이러한 특성은 센서가 입력된 빛의 조건에 따라 스스로 응답 방식을 바꾸는 자가 재구성 기능으로 이어진다. 기존 센서가 전기적 제어를 통해 동작 특성을 조절해야 했다면, 이번 센서는 광 자극만으로 응답 특성을 전환할 수 있다. 연구팀은 이 기술을 대면적 센서 어레이 형태로 구성하고, 센서 자체가 데이터를 처리하는 인-센서 컴퓨팅 구조에 적용했다.
연구팀은 이번 센서 어레이를 활용해 시간과 공간에 따라 변화하는 다차원 광학 정보를 처리하는 인-센서 컴퓨팅 시스템을 구현했다. 실제 실험에서는 움직이는 물체 인식에서 95% 이상의 정확도를 기록했다. 이는 별도의 복잡한 연산 과정 없이 센서 단계에서 고차원 광학 정보를 처리할 수 있음을 보여주는 결과다.
자료에 제시된 개념도는 이중 이방성 반데르발스 이종구조 기반 자가 재구성형 편광 센서가 편광 정보를 활용해 야간 인식, 의료 영상 분석, 3차원 공간 정보 인코딩, 3차원 움직임 인식 등에 적용될 수 있음을 보여준다. 연구진 사진에는 조한빈 박사과정, 웬슈안 주 박사후연구원, 서준기 교수, 김창환 석박사통합과정 연구자가 함께 소개됐다. 이번 기술은 고차원 시각 정보 처리가 필요한 다양한 분야에 활용될 수 있다. 자율주행 분야에서는 야간이나 저대비 환경에서도 물체 인식 성능을 높이는 데 활용될 수 있다. 예컨대 어두운 도로에서 물웅덩이와 아스팔트처럼 밝기 정보만으로 구분이 어려운 대상을 편광 정보를 통해 식별하는 방식이다.
의료 분야에서는 세포와 조직의 구조적 특성을 분석하는 데 활용될 수 있다. 자료에 포함된 연구결과 Q&A에서도 의료 영상 장비에 적용될 경우 조직의 미세한 구조 차이를 더 정밀하게 분석해 진단 정확도를 높이는 데 기여할 수 있다고 설명됐다. 이 밖에도 로봇 비전, 스마트 카메라, 3차원 객체 인식, 드론과 모바일 기기 등 다양한 인공지능 기반 영상 처리 분야로 확장될 수 있다.
서준기 교수는 이번 연구가 편광 정보를 활용해 더 풍부한 시각 정보를 확보할 수 있는 인공지능 비전 기술의 새로운 기반을 제시한 것이라고 설명했다. 이어 향후 저전력·고효율 AI 시스템 구현에 중요한 역할을 할 것으로 기대한다고 밝혔다. 이번 연구에는 웬슈안 주 박사후연구원과 김창환 박사과정생이 제1저자로 참여했으며, 서준기 교수가 교신저자로 참여했다. 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 센서스(Nature Sensors)’에 4월 14일 게재됐다. 논문명은 ‘Self-reconfigurable polarization perception in dual-anisotropy heterostructures for high-dimensional in-sensor computing’이다.
이번 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 한국연구재단 PIM 인공지능반도체 핵심기술개발 사업과 개인기초연구사업, 한국산업기술진흥원 산업혁신인재성장지원사업의 지원을 받아 수행됐다. KAIST 연구팀의 성과는 센서가 데이터를 단순히 수집하는 데 그치지 않고, 센서 단계에서 정보 처리까지 수행하는 저전력 지능형 비전 시스템의 가능성을 보여준 사례로 정리된다.
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