서울대 공대 전기정보공학부 유선규 교수팀, 네트워크 진화 통한 빛 신호 제어 성공
산란 현상을 이용한 진화형 광학 네트워크 구현
진화 네트워크 개념을 활용한 초밀도(Super-dense) / 초균일(Hyperuniform) 매질 설계
서울대학교 전기정보공학부 유선규 교수
빛의 산란은 빛이 입자에 부딪히면서 그 진행 방향이 바뀔 때 발생하는 현상으로, 하늘이 푸른 물리적 원인이기도 하다. 산란 현상은 디스플레이, 레이저, 광학 센서, 엑스레이 등 광학 기술에서 광범위하게 활용되며 반도체 회로 제작을 위한 포토리소그래피에서도 중요한 작용을 한다. 따라서 원하는 빛의 산란을 얻도록 매질 또는 재료를 역설계하는 기술의 구현은 매우 중요하다. 그러나 기존 방식은 매질을 구성하는 입자의 수가 증가할수록 필요한 계산 자원 및 시간이 기하급수적으로 증가하며, 초기에 설정한 입자의 수를 그대로 유지해야 한다는 한계점이 존재했다.
한편, 네트워크 과학은 생물학적 또는 사회적 연결망을 설명하기 위한 중요한 이론이다. 대표적으로 사람의 두뇌나 소셜네트워크를 네트워크 과학에 기반해 정량적으로 분석하는 연구가 활발히 진행됐으며, 인공신경망(뉴럴 네트워크)에 기반한 머신러닝 연구 역시 많은 관심을 받고 있다.
특히 네트워크 ‘진화’의 개념은 실제 자연계 및 사회에 존재하는, 동적으로 변화하는 네트워크를 해석 가능하도록 한다는 점에서 많은 관심을 받아왔다. 전체 사이즈가 변화하는 인터넷이나 소셜 네트워크는 대표적인 진화형 네트워크에 해당된다.
한편, 최근에는 빛을 이용한 초고속 머신러닝 연구가 전 세계적으로 활발히 진행되고 있다. 해당 연구들은 모두 인공신경망을 광학적으로 구현하고자 하는 노력을 수반하고 있어, 기존에는 무관하다고 여겨져 왔던 광학과 네트워크 과학 간의 연계를 강하게 요구하고 있다. 그러나 현재까지는 네트워크의 개념을 광학적인 측면(예를 들어 빛의 간섭 현상)에서 엄밀하게 정의한 연구가 없었으며, 따라서 매우 한정된 형태의 인공신경망만이 구현할 수 있었다.
유선규 교수 연구팀은 빛의 산란 현상을 네트워크 과학을 통해 최초로 해석해 진화형 광학 네트워크를 구현하고 이를 통해 초밀도(Super-dense) / 초균일(Hyperuniform) 광학 매질을 설계하는 데 성공했다.
연구팀은 빛의 산란 현상에서 발생하는 ‘간섭’ 현상을 반영하는 광학 네트워크의 개념을 최초로 정립하고, 이에 ‘진화’의 개념을 도입했다. 예를 들어 시스템에 입자가 한 개씩 들어감에 따라 빛의 산란과 이에 1:1 대응되는 광학 네트워크가 어떻게 ‘진화’하는지를 분석했다.
해당 기법을 통해 동일 조건에서 기존에 알려진 것보다 3배 이상 강한 산란 특성을 갖는 초밀도(Super-dense) 매질을 구현하는데 성공했으며, 매우 무질서해 보이면서도 균일한 매질 특성을 갖는 초균일(Hyperuniform) 매질을 진화 프로세스를 통해 설계하는데 성공했다. 이를 통해 기존에 존재하는 재료에 진화형 매질을 덮어씌워 기존의 구조적 특성을 숨기는 스크리닝 기술의 구현도 가능함을 증명했다.
논문의 교신저자인 유선규 교수는 “해당 연구는 네트워크 과학 및 진화의 개념을 광학 현상에 도입해, 광학 네트워크의 개념을 엄밀하게 정의한 첫 연구이다. 이를 통해 새로운 형태의 광학적 인공신경망을 구현 가능함을 증명했다”며 “예를 들어 기존의 광학 인공신경망은 뉴런의 개수가 정해져 있어 주어진 크기의 문제만 다룰 수 있을 뿐만 아니라 학습에 어려움이 많았는데, 새롭게 제안된 진화형 광학 신경망은 문제에 따라 필요한 뉴런의 개수를 맞춰갈 수 있다는 장점이 있다”고 밝혔다.
이어 유 교수는 “매질의 기억에 기반한 광학 시스템 설계를 진행한다는 점에서 현재 진행 중인 기초연구실 사업의 핵심 연구라고 할 수 있고 재료 과학적인 측면에서는 닭의 눈이나 우주 별의 분포, 소수의 패턴에서 관찰되던 초균일(Hyperuniform) 매질을 최초로 동적인 상황에서 분석했다는 것에 그 의의가 있다”며 “이를 통해 여러 자연계에 존재하는 초균일 패턴들의 생성 원리를 이해하고, 이를 메타물질과 같은 인공 매질 설계에 적용하는 후속 연구를 진행하고자 한다”고 향후 목표를 밝혔다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 기초연구실 사업(BRL, 전자-광자 하이브리드 기반 멤리스틱 소자 기초연구실), 우수신진연구 사업 및 글로벌프런티어사업(GFP, 파동에너지 극한제어 연구단)의 지원으로 수행됐고, 국제학술지 네이처 컴퓨테이셔널 사이언스(Nature Computational Science)에 2023년 2월 13일 게재됐으며, 해당 저널 News & Views 섹션에도 소개됐다.
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