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기존 반도체 기반 소자와 달리 전자 대신 이온의 흐름을 조절해 초저전력으로 작동하는 신경소자가 개발됐다.기존 트랜지스터 기반 신경소자보다 에너지 효율이 최대 50배 높다.인간 감각을 모사하는 전자피부 등 촉각소자 구현에 활용될 것으로 기대된다.

한국연구재단은 김도환 한양대 화학공학과 교수와 문홍철 KAIST 생명화학공학과 교수 공동연구팀이 외부 자극에 자율적으로 반응하는 이온 다이오드 신경소자를 개발했다고 12일 밝혔다.연구결과는 10일(현지시간) 국제학술지 '사이언스 어드밴시스'에 공개됐다.

전자피부가 외부 압력 등 특정 자극에 선택적으로 반응하고 자극을 신호로 변환해 기억하려면 인공 신경소자가 필요하다.생물학적 신호 전달 체계인 시냅스 기능을 모방한 소자다.

신경소자를 구현하는 기존 이온 다이오드는 지속적인 전력 공급이 필요하고 연속적인 신호에 모두 반응해 불필요한 전력 소모가 발생한다.이온 다이오드는 전자의 흐름을 제어하는 반도체 다이오드와 비슷하게 이온의 흐름이 한쪽 방향으로만 통과해 전류 방향을 제어하는 소자다.

기존 이온 다이오드는 내부의 양이온성 고분자와 음이온성 고분자가 맞닿는 계면에서 형성되는 전하 비대칭 영역인 이온고갈층이 불안정하다는 점이 한계다.전류 흐름이 제한돼 안정적인 신호 처리가 어려워진다.

연구팀은 고분자의 운동성을 높이고 안정적이고 두꺼운 이온고갈층을 형성하도록 설계한 이온 다이오드 신경소자를 개발했다.

로봇 손가락에 부착해 테스트한 결과 실시간 압력 변화에 따라 발광다이오드(LED) 밝기가 단계적으로 조절됐다.압력이 일정 기준을 넘을 때만 전류가 흐르는 특성과 반복 자극에 반응이 점차 강화되는 가소성도 구현됐다.

정지 상태와 작동 시 기존 전자 트랜지스터 기반 신경소자보다 최대 50배 높은 에너지 효율을 달성했다.

김 교수는 "기존 반도체 소재 기반 전자 제어가 아닌 이온을 이용한 정보 처리 시스템"이라며 "인공지능(AI)형 감각 감지-신호 처리가 가능한 소자 개발의 새로운 돌파구로 평가"라고 말했다.

문 교수는 "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"고 밝혔다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1126/sciadv.aea5656
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