국내 연구진, 생체 신경 초저전력 신호전달 원리 인공소자에 구현

이온 다이오드의 동적 시냅스 가소성 분석(한양대 김도환 교수 제공) /뉴스1

(대전=뉴스1) 김종서 기자 = 한국연구재단은 한양대학교 김도환 교수, 한국과학기술원(KAIST) 문홍철 교수 공동 연구팀이 인간의 감각을 모사하는 인공 촉각 시스템에 활용 가능한 이온 다이오드 신경소자를 개발했다고 12일 밝혔다.

인간–기계 인터페이스용 소프트 전자피부에서는 외부 압력과 같은 특정 자극에 선택적으로 반응하고 그 자극을 신호로 변환해 기억할 수 있는 인공 신경소자가 필수적이다.

하지만 기존 이온 다이오드는 내부에 포함된 양·음이온 간 전도도 비대칭성 때문에 계면에서 이온고갈층이 매우 불안정하게 형성된다.

때문에 외부 자극에 대한 감지 선택성이 낮고, 구동 시 전류 응답이 일정하지 않아 안정적인 신호 처리가 어려웠다.

연구팀은 새로운 분자설계 전략을 통해 고분자의 양·음이온 전도도 균형을 정밀하게 맞추고, 계면에 안정적이고 두꺼운 이온 고갈층을 형성해 외부자극에 자율적으로 반응하는 초저전력 인공 다이오드 신경소자를 개발했다.

새로운 소자는 로봇 손가락 부착 실험에서 실시간 압력 세기에 따라 LED 밝기가 단계적으로 조절되는 인간 촉각 모사형 반응을 보였다.

압력이 일정 기준을 넘을 때만 전류가 흐르는 임계 반응형 특성과 반복 자극에 반응이 점차 강화되는 시냅스 가소성도 구현했다.

또 정지 상태에서 펄스당 0.41나노줄(nJ), 압력 작동 시 1.49nJ의 초저전력으로 동작해 기존 트랜지스터 기반 신경소자 보다 약 10배에서 50배 이상 높은 에너지 효율을 달성했다.

김 교수는 "이번 연구는 기존 반도체 소재 기반 전자 제어가 아닌 이온을 이용한 정보 처리 시스템에 관한 것으로 학술적 의의가 크다"며 "생체 신경의 초저전력 전기화학적 신호 전달 원리를 인공소자에 구현한 점에서 인공지능형 감각 감지-신호 처리가 가능한 소자 개발의 새로운 돌파구로 평가된다"고 말했다.

문 교수는 "기존 전자 트랜지스터 기반 시스템의 구조적 복잡성과 에너지 비효율 문제를 근본적으로 개선해 인공 촉각, 신경형 인공지능(AI) 등 지능형 촉각 신경망 및 자율 감지 로봇 플랫폼 개발로의 응용이 가능하다"고 설명했다.

이번 연구의 성과는 국제학술지 '사이언스 어드밴스(Science Advances)'에 온라인 게재됐다.