반도체 대신 이온으로…초저전력형 신경소자 첫 공개

한양대·KAIST 연구진 "촉각 인공지능 및 저전력 자율감지 시스템 개발 탄력 붙을 것"

반도체 대신 이온으로 제어 가능한 초저전력형 신경소자가 처음 개발됐다. 저전력 자율감지 시스템 및 촉각 신경망 소자 개발이 탄력을 받을 것으로 기대됐다.

한국연구재단은 한양대학교 김도환 교수 및 KAIST   문홍철 교수 공동 연구팀이 기계적 자극에 스스로 전류 흐름을 조절하며, 초저전력으로 동작하는 기계자극 게이팅 이온 다이오드 소자를 개발했다고 12일 밝혔다.

이온 신경소자를 개발한 한양대 김도환 교수, 미국 스탠퍼드대 김용민 박사후연구원, KAIST 문홍철 교수, 미국 노스캐롤라이나 주립대 최한빈 박사후연구원.(왼쪽부터)

기계자극 게이팅은 압력이나 응력 등 기계적 힘에 의해 전류의 흐름을 스스로 조절하는 현상이다. 또 이온 다이오드는 전자의 흐름을 제어하는 반도체 다이오드와 유사하게, 이온의 흐름이 한쪽 방향으로만 통과해 전류의 방향을 제어하는 소자를 말한다.

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

그러나 기존 이온 다이오드는 내부에 포함된 양·음이온 간 전도도 비대칭성 때문에 계면에서 이온고갈층이 매우 불안정하게 형성돼 외부 자극에 대한 감지 선택성이 낮다. 또 구동 시 전류 응답이 일정하지 않아 안정적인 신호 처리가 어려웠다.

연구팀은 새로운 분자설계 전략을 통해 고분자의 양·음이온 전도도의 균형을 정밀하고 맞추고, 계면에 안정적이고 두꺼운 이온 고갈층을 형성하는 방법으로 외부자극에 자율적으로 반응하는 초저전력 인공 다이오드 신경소자를 개발했다.

연구팀은 "이 새로운 소자는 로봇 손가락 부착 실험에서 실시간 압력 세기에 따라 LED 밝기가 단계적으로 조절되는 인간 촉각 모사형 반응을 보였다"며 "압력이 일정 기준을 넘을 때만 전류가 흐르는 임계 반응형 특성과 반복 자극에 반응이 점차 강화되는 시냅스 가소성도 구현했다"고 설명했다.

시냅스가소성(synaptic plasticity)은 신경세포(시냅스)가 자극의 강도나 반복 빈도에 따라 신호 전달 효율이 변화하는 생물학적 학습 메커니즘을 말한다.

이온 다이오드의 소재 설계 및 특성화 개념도. 그림 A는 사슬이완 거동을 나타낸 모식도, B는 양이온성 공중합체의 균형잡힌 전도도를 나타냈다. C는 이온붕괴 현상 개략도, D는 에너지 소비량과 신호대잡음비 그래프.(그림=한양대/스탠퍼드대 김용민 박사후연구원)

또 연구팀은 정지 상태에서 펄스당 0.41nJ(나노줄, 에너지단위), 압력 작동 시 1.49nJ의 초저전력으로 동작, 기존 트랜지스터 기반 신경소자 보다 약 10배에서 50배 이상 높은 에너지 효율을 달성했다고 부연 설명했다.

김도환 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”라고 밝혔다.

문홍철 교수는 “기존 전자 트랜지스터 기반 시스템의 구조적 복잡성과 에너지 비효율 문제를 근본적으로 개선해 인공 촉각, 신경형 AI 등 지능형 촉각 신경망 및 자율 감지 로봇 플랫폼 개발로의 응용이 가능하다”라고 덧붙였다.

연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구 사업과 선도연구센터 사업의 지원을 받았다. 연구결과는 국제학술지(Science Advances)에 온라인으로 게재됐다.