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인간의 뇌를 모방한 3차원 집적 뉴로모픽 반도체 개발
우리 대학 전기및전자공학부 최양규 교수, 명현 교수, 그리고 신소재공학과 이건재 교수 공동연구팀이 ‘인간의 뇌를 모방한 3차원 집적 뉴로모픽 반도체’를 개발하는 데에 성공했다. ‘인간의 뇌를 모방해 동일평면 상에 수평 집적한 뉴로모픽 반도체’를 개발(2021년 Science Advances 게재)하는 데에 성공했던 연구팀은, 뉴런 소자와 시냅스 소자를 상하부에 3차원 방식으로 수직 집적해, 보다 높은 집적도와 전력 효율을 가지는 뉴로모픽 반도체를 구현할 수 있음을 처음으로 보였다.
전기및전자공학부 졸업생 한준규 박사, 전기및전자공학부 이정우 박사과정과 김예은 박사과정, 그리고 신소재공학과 김영빈 박사과정이 공동 제1저자로 참여한 이번 연구는 저명 국제 학술지 ‘Advanced Science’ 2023년 9월 온라인판에 출판됐다. (논문명 : 3D Neuromorphic Hardware with Single Thin-Film Transistor Synapses Over Single Thin-Body Transistor Neurons by Monolithic Vertical Integration). ‘Advanced Science’는 재료과학, 물리학, 화학, 생명과학, 엔지니어링 분야의 기초 및 응용 연구를 다루는 학제 간 오픈 액세스 저널이다. (impact factor : 17.521)
뉴로모픽(neuromorphic) 하드웨어는, 인간의 뇌가 매우 복잡한 기능을 수행하지만 소비하는 에너지는 20와트(W) 밖에 되지 않는다는 것에 착안해, 인간의 뇌를 모방해 인공지능 기능을 하드웨어로 구현하는 방식이다. 뉴로모픽 하드웨어는 기존의 폰 노이만(von Neumann) 방식과 다르게 인공지능 기능을 초저전력으로 수행할 수 있어 많은 주목을 받고 있다. 뉴로모픽 하드웨어를 구현하기 위해서는 생물학적 뇌와 동일하게 일정 신호가 통합되었을 때 스파이크를 발생하는 뉴런과 두 뉴런 사이의 연결성을 기억하는 시냅스가 필요하다.
연구팀은 단일 박막 트랜지스터(thin-film transistor) 기반 시냅스 소자를 단일 트랜지스터 기반 뉴런 소자 위에 3차원 방식으로 수직 집적해, 높은 집적도와 전력 효율을 가지는 3차원 집적 뉴로모픽 반도체를 개발했다. 아래층 뉴런 소자의 손상 없이 위층 시냅스 소자를 제작하기 위해, 엑시머 레이저 어닐링(excimer laser annealing) 기법을 활용했다. 또한, 아래층 뉴런 소자의 손상 없이 위층 시냅스 소자의 내구성을 향상시키기 위해, 소자 내부의 줄열(Joule heat)을 이용한 자체 어닐링 기법도 제안했다. 이러한 뛰어난 내구성을 바탕으로, 이벤트 카메라(event camera)를 기반으로 제작된 손동작 기반의 수화 (手話) 패턴을 높은 성공률로 인식할 수 있음을 보였다.
2023.09.21
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기술가치창출원, 2023 테크페어 개최
우리 대학이 31일 서울 코엑스에서 중소·중견 기업의 글로벌 경쟁력 강화를 위한 ‘2023 KAIST 테크페어’를 개최한다.
한국무역협회(대표 구자열, 이하 KITA)와 공동 개최하는 이번 행사에서는 우리 대학이 기술이전, 기술투자, 기업자문 기회를 제공하고, KITA는 회원 기업의 수요 발굴 및 출연 재단인 산학협동재단을 통한 심화 자문 등을 할 예정이다.
첫 번째 세션인 기술이전 설명회에서는 KAIST 연구자가 직접 발표하는 사업화 유망 기술 7종을 소개한다.
▴몰입감 높은 VR 게임을 위한 가상-현실 공간 결합 기술(우운택 문화기술대학원) ▴안 보고도 계단을 오르는 '드림워커' 보행로봇 제어 시스템(명현 전기및전자공학부) ▴물체를 빠르고 효율적으로 잡을 수 있는 로봇 손 시스템(박형순 기계공학과) ▴백신 개발 및 유전자 치료 등에 우수한 안정성 및 정확성을 보유한 mRNA 플랫폼(이영석 바이오및뇌공학과) ▴고성능 측정 기능을 향상시킨 초박형 스마트 마이크로 분광기(정기훈 바이오및뇌공학과) ▴인공지능-인간 상호작용 기술(이상완 뇌인지과학과) ▴저전력 연속 측정 웨어러블 유연압전 혈압센서(이건재 신소재공학과 교수) 등이다.
특히, 명현 교수의 심층강화학습을 기반으로 개발한 '드림워커'로 알려진 사족로봇 블라인드 보행 제어 로봇기술은 별도의 튜닝 없이 1시간 정도의 학습과정을 거치면 다양한 보행로봇에 적용할 수 있다는 것이 가장 큰 장점이다. 화재 현장처럼 사람이 쉽게 접근하기 힘든 비정형 환경 탐사 임무 등 로봇산업에 폭넓게 활용할 수 있어 국내 로봇 기술 발전을 이끌 기술로 기대되고 있다.
정기훈 교수의 초박형 분광기 기술은 기존의 분광기보다 월등하게 크기가 작고 성능이 획기적으로 향상되었다. 스마트 전자기기, 수질이나 대기의 오염물질 등의 환경 모니터링, 의약품·유전자·식품 성분분석 등 다양한 산업 분야에 활용이 가능하다. 사물인터넷(IoT) 기술을 접목할 경우 비접촉 초소형 분광기로써 활용 범위가 더욱 넓어질 것으로 예상된다.
박형순 교수의 로봇 손 시스템은 잡아야 하는 물체의 형상에 맞는 최적의 경로를 계획할 수 있다. 요구되는 연산량이 적은 알고리즘을 개발·적용해 빠른 속도로 물체 조작이 가능하다. 또한, 크기·형상·색상 등을 사전에 학습하지 않은 물체도 쉽게 다룰 수 있으며, 카메라가 전송하는 이미지가 없이도 물건을 잡기 위해 필요한 정보를 쉽게 취득할 수 있어 기존 로봇 손 성능의 한계를 극복하는 기술로 기대를 모으고 있다.
두 번째 세션인 실험실 창업 데모데이에서는 KAIST 교원 창업 기술을 소개한다.
▴사이버시스템 보안 연구실 창업기업 '㈜사이시큐(CyseckR)'의 강병훈 전산학부 교수 ▴디지털트윈 기술로 기후 변화에 노출된 국가나 기업의 자산을 평가하는 '메타어스랩'을 창업한 김형준 문술미래전략대학원 교수 ▴그린수소 생산 및 이용을 위한 촉매물질 개발·생산 기업인 '㈜엔아이이티(NIET)'의 이진우 생명화학공학과 교수 ▴암의 진단·감별·치료제 개발 분야의 창업을 앞둔 장재범 신소재공학과 교수가 참여해 벤처캐피털과의 협력 네트워킹 및 투자 상담을 진행한다.
마지막 순서로 진행되는 기술애로 상담회에서는 사전에 매칭된 무역협회 회원사와 KAIST 교원 및 연구원의 1:1로 상담 자문이 이어진다. 첨단 바이오, 이차전지, 디스플레이, 항공우주·해양, 첨단로봇 등 국가 12대 전략기술과 부합하고 탄소중립 관련 기술 애로점이 있는 기업의 고충을 중점 자문할 예정이다.
최성율 KAIST 기술가치창출원장은 "KAIST는 세계 경제 질서가 대전환되고 글로벌 공급망이 재편되는 시대에 대응하는 미래 전략기술 확보와 딥테크 기술사업화 및 창업 생태계를 고도화에 최선을 다하고 있다"라고 전했다. 이어, 최 원장은 "이번 테크페어에서는 인공지능(AI)·로봇·메타버스·바이오 메디컬·신소재 등 4차 산업혁명 분야에서 파급효과가 클 것으로 기대하는 신기술을 선별해 발표하는 만큼 산업계와 관련 분야의 큰 관심을 부탁드린다"라고 당부했다.
2023.08.29
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제4차 산업혁명 핵심 특허기술설명회, 12일 코엑스에서 개최
우리대학이 오는 9월 12일 오후 1시부터 서울 삼성동 코엑스(317~318호)에서 기술보증기금(이사장 김규옥)과‘2017 KAIST 4차 산업혁명 핵심 특허기술’ 설명회를 공동 개최한다. 이번 설명회는 우리대학이 직접 연구·개발을 통해 보유하고 있는 우수한 특허기술 중에서도 4차 산업혁명을 이끌어 나갈 10개 핵심 특허기술에 대한 소개와 함께 국내·외 기업을 대상으로 사업화를 위한 기술이전 등에 관한 상호 협력방안을 논의하기 위해 마련됐다.
우리대학은 올 상반기 중 내부교수들을 대상으로 공모를 진행한 후 접수된 특허기술 중 학과장 및 변리사·벤처 투자자·사업화 전문가 등 10명 내외로 ‘평가·선정위원단’을 구성해 당장 사업화 가능성이 높은 기술 위주로 ‘2017 KAIST 4차 산업혁명 핵심 특허기술’을 선정하고 지난 달 23일 결과를 발표했다.
우리대학이 발표한 ‘2017 KAIST 4차 산업혁명 핵심 특허기술’은 ▲고 정확도 사물인터넷(IoT) 나노섬유 가스센서(김일두 교수) ▲빅데이터와 인체네트워크 시뮬레이션을 이용한 최적의 항암치료 기술(조광현 교수) ▲고 신축성 웨어러블 사물인터넷(IoT) 스트레인 센서(박오옥 교수) ▲칩 앤 플래쉬(Chip & Flash) 메모리 데이터 보안기술(최양규 교수) ▲뇌 영상 바이오 헬스케어 장치(배현민 교수) 등이다. 이밖에 ▲사용자의 감정에 따라 감성서비스를 제공하는 디지털 생명체 기술(김종환 교수) ▲스마트 팩토리 구현을 위한 레이저-통합 정밀계측시스템 기술(김승우 교수) ▲실내·외 이동로봇의 자율주행을 위한 위치인식 및 맵 작성 기술(명현 교수) ▲5G 통신 및 레이더용 빔포밍 IC 최적화 기술(홍성철 교수) ▲패턴/편파 빔포밍 기반 5G 이동통신 용량증대 기술(조동호 교수)도 10대 핵심기술로 뽑혔다.
기술사업화센터 관계자는 “ICT·무인운송수단·인공지능·로봇공학·사물인터넷(IoT)·나노기술·빅데이터 분석 등 4차 산업혁명을 주도하는 파급효과가 크고 당장 사업화 가능성이 높은 기술 위주로 향후 다양한 분야로의 응용가능성과 시장규모·기술적인 혁신성 등을 감안해 선정했다”고 선정기준을 밝혔다.
이번 설명회는 최경철 산학협력단장 사회로 신성철 총장의 개회사와 김규옥 기술보증기금 이사장의 격려사 순으로 진행되는데 우리대학 총동문회장인 고정식 前 특허청장이 특별 초청돼 ‘지식재산 전쟁시대 – 우리는 어떻게 승자가 될 것인가’라는 주제로 강연을 한다. 이어 김일두 교수(신소재공학과) 등 연구자인 교수 10명 모두가 직접 참석해 자신이 개발한 특허기술별로 개요 및 특·장점, 적용분야 등에 관해 15분씩 설명하는 시간을 갖는다. 이밖에 기술사업화센터에서는 설명회 직후 KAIST 기술을 필요로 하는 기업과의 직접 상담을 통해 기술이전 기회를 확대시킬 수 있도록 ‘U2B 기술이전 상담’시간도 마련했다.
신성철 총장은 “우리나라 4차 산업혁명을 주도하고 있는 KAIST의 우수한 기술력을 외부에 공개하고 또 기술이전을 통해 기술사업화 활성화에 기여하고자 한다”며 이번 설명회 개최에 대한 의미를 부여했다. 신 총장은 또 “10대 핵심 특허기술에 대한 기술이전 마케팅을 적극 추진해서 대학의 연구가 경제적 가치창출로 직결되는 기술사업화 혁신의 성공신화를 KAIST가 만들어 갈 것”이라고 포부를 밝혔다. 신 총장은 이어 “아직 발굴되지 않은 핵심 특허기술은 물론 사업추진과 관련한 각종 아이디어 등의 지속적인 발굴노력을 통해 기술사업화 혁신을 적극 권장하고 추진해 나갈 것”이라고 강조했다.
이번 설명회에 참가 또는 상담을 위한 신청접수는 관련 홈페이지( http://tech4.kaist.ac.kr )를 이용하면 된다.
문의 042-350-4791.
2017.09.04
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김지한 교수, 비정질 다공성 물질의 가스 흡착 성능 분석법 개발
〈 김 지 한 교수 〉
우리 대학 생명화학공학과 김지한 교수 연구팀이 비정질 다공성 물질의 가스 흡착 성능을 예측하는 방법을 개발했다.
이번 연구는 교토대 임대운 교수, 서울대 백명현 교수, 가천대 윤민영 교수, 사우디 아람코 연구소와 공동으로 진행됐다.
정우석 박사과정생과 임대운 교수가 공동 1저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘미국국립과학원회보(PNAS)’ 7월 10일자 온라인 판에 게재됐다.
금속-유기물 구조체(metal-organic framework, MOF)는 넓은 표면적과 풍부한 내부 공극을 가지고 있어 다양한 에너지 및 환경 관련 소재로 응용될 수 있다.
이런 금속-유기물 구조체 물질 대부분이 결정성 물질이지만 합성과정 또는 산업 공정에 사용 중에 구조가 붕괴돼 결정성을 잃기 쉽다. 그로 인해 내부 구조를 파악할 수 없게 되면 기존의 어떠한 컴퓨터 시뮬레이션 방법론으로도 분석이 어려웠다.
김 교수 연구팀은 이와 같이 붕괴된 금속-유기물 구조체의 물성치를 결정성 금속-유기물 구조체의 물성치로 대체해 우회적으로 비정질 구조(amorphous structure)의 다공성 물질에서 물성치 분석이 가능함을 증명했다.
연구팀은 우선 12,000여 개의 결정성 금속-유기물 구조체에 대해 다양한 가스 및 온도 조건에서 가스 흡착 물성치 계산을 수행했다. 이로부터 특정 가스 및 온도 조건에서 비슷한 물성치를 보인 금속-유기물 구조체들은 다른 가스나 온도 조건에서도 비슷한 흡착 성능을 보인다는 것을 보였다.
이러한 결과를 바탕으로 연구팀은 붕괴된 구조가 보이는 메탄가스 흡착성능과 가장 비슷한 물성치를 지닌 결정성 금속-유기물 구조체들을 12,000여 개 구조 중에서 선별했다.
그 후 전혀 다른 온도 및 수소가스 흡착에 있어서도 붕괴된 구조의 실험값과 결정성 금속-유기물 구조정보를 이용한 시뮬레이션 결과가 잘 일치한다는 상호교환성(transferability)를 확인했다.
이번 연구성과는 구조 정보가 없는 경우에도 금속-유기물 구조체와 같은 다공성 물질들에서 물성치를 예측할 수 있어 앞으로 이산화탄소 포집, 가스 분리 및 저장소재 개발에 활용될 것으로 기대된다.
이번 연구는 Saudi Aramco-KAIST CO2 Management Center의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 구조-물성치 맵에 나타나는 경향성과 붕괴된 구조의 경향성
그림2. 붕괴된 금속-유기물 구조체 실험결과와 결정성 금속-유기물 구조체 시뮬레이션 결과의 상호교환성
2017.07.21
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김승우교수, 랩탑크기 시스템에서 극자외선 광원생성 성공
우리학교 기계공학과 김승우교수 연구팀은 4일 빛의 광자와 나노 크기의 금속 구조체 내부의 전자와의 상호작용을 통해 나타나는 플라즈몬 공명현상을 이용해 기존의 고출력 증폭기술 없이 결맞음 특성을 가진 극자외선(Extreme Ultraviolet: EUV) 광원을 랩톱컴퓨터 크기의 장치로 만들어내는 획기적인 기술을 개발했다.
Nature지에 발표된 이 기술은 매우 작은 크기의 금속 나노 구조물과 낮은 출력의 소형 극초단 레이저 광원만으로 구현 가능하기 때문에 획기적으로 작은 공간에 랩탑 크기의 장치 구현을 입증하였으며 이는 향후 EUV광원의 다양한 응용을 위한 초석을 놓은 학술적 공헌으로 인정 받았다.
극자외선 영역의 결맞음 특성을 갖는 광원을 얻기 위해서는, 전자를 고에너지로 운동하게 할 수 있는 엄청난 규모의 가속기가 필요하였다. 최근에는 초고속 펄스 레이저와 가스상태의 원자 내부의 전자와의 상호작용을 통해 발생하는 고차 조화파를 이용한 새로운 방법이 가능하였으나 고출력 레이저 증폭 기술을 필요로 하기 때문에 비용과 규모 면에서 제약이 많이 따라 왔다.
극자외선 (Extreme Ultraviolet: EUV) 영역의 레이저 광은 의학과 생명공학에 요구되는 현미경 기술, 그리고 나노 과학에 사용되는 리소그라피 기술 등을 포함한 광범위한 분야의 원천 과학기술 발전을 위해 주목 받고 있는 광원이다.
2008.06.09
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