주요 연구성과
NEW 서형탁 교수팀, 인간 생체시각 모사한 환경적응형 광센서 개발
- 2020-11-17
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우리 학교 서형탁 교수팀이 인간 생체 시각을 모사해 다양한 환경에 적응할 수 있는 일체형 광전소자를 개발하는 데 성공했다. 이에 인공신경형 시각 장치 개발 뿐 아니라 지능형 광센서와 데이터 처리 및 로봇 공학 등에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
서형탁 교수(신소재공학과·대학원 에너지시스템학과, 사진)는 광시야각에 따라 차별적 정보 처리가 가능한 광센서 소자를 개발했다고 밝혔다. 관련 내용은 ‘환경적응형 광전자 결합 시야각 인지 시스템(Environment-Adaptable Photonic-Electronic Coupled Angular Perception System)’이라는 논문으로 나노 분야 국제 학술지 <ACS Nano(IF=14.588)> 10월호에 게재됐다. 아주대 김상완 교수(전자공학과)와 쿠마 모히트(Mohit Kumar) 연구원(제1저자)이 함께 참여했다.
인간의 시각 시스템은 광학 신호의 실시간 감지를 기반으로, 빛의 밝기를 비롯한 주변의 환경에 자체 적응할 수 있다. 또한 대상의 상하나 좌우 위치를 감안해 광시야각에 따라 신호를 차별적으로 인식하며 학습할 수 있는 능력을 갖추고 있다. 인간의 시각은 광학 정보를 포착하여 광전 변환을 통해 적절한 크기의 전기 스파이크로 인코딩한다. 이 정보는 시각 피질로 전송되어 생체 시냅스 네트워크에 저장된다.
인간의 생체시각을 모사해 인공시각 기술을 구현하기 위해 그동안 많은 기술 개발이 진행되어 왔다. 그러나 간단한 구조와 합리적 전력에서 구동할 수 있는 인공시각 기술의 개발은 여전히 많은 한계를 보여왔다.
기존의 인공시각 회로 기술 대부분은 일반적인 빛의 세기 하에서 정보를 이해하고 시각화 하는데 중점을 두어왔다. 그러나 인공시각 기술을 구현하기 위해서는 넓은 시야에서 사물을 인식할 수 있는 시야각 인식기술이 필수적이다. 이를 바탕으로 궁극적으로는 기존의 복잡한 회로를 대체할 수 있을 만한 효과적이고 단순한 휴머노이드 광전자 회로를 설계하는 것이 기술적 과제다. 복잡한 회로를 단순화하기 위해서는 다양한 환경에 적응할 수 있고, 정보를 기억할 수 있는 메모리 저장의 기능이 통합되어야 함은 물론이다.
아주대 연구팀은 다양한 환경에 적응할 수 있는 인간 신경계 모사 시각인지 광센서 소자를 개발하기 위해 고품질 이산화티타늄 산화물(TiO2) 나노 필름을 만들고, 그 위에 은나노선을 균일하게 배치하는 소자를 제조했다. 은나노 와이어(NW)를 통해 광시야각에 대한 광전효과를 극대화하여 넓은 시야각도(± 70º)에서 시각적 처리가 가능할 수 있도록 한 것. 또 은 나노선과 이산화티타늄 산화물의 쇼트키 접합 구조에 따른 효과적인 광전 수집 효과를 통해 광(자외선 영역) 신호를 높은 감도로 감지하게 했다. 이러한 소자의 구조는 간단하면서도 효과적인 생체시각 모사 접근 방식을 제공한다.
연구팀은 개발한 소자에서 3×3 어레이를 사용하여, 회로 수준에서 다양한 환경에서도 인지가 가능한 시각 인지 기술을 구현해냈다. 이를 통해 광신호 패턴이 같더라도 시야의 각이나 빛의 세기, 광신호의 지속 시간과 간격 등 여러 환경 변수에 따라 광신호에 대한 기억의 강도와 시간이 달라지는 것을 확인했다. 개발한 소자가 실제 인체의 시신경 및 시각피질과 유사한 기전으로 작동하는 것을 확인함과 동시에, 연구팀은 뉴로모픽 광신호 저장 매커니즘이 광-전기 결합에 의한 쇼트키 다이오드에서의 전하 축적-손실에 의한 것임을 또한 규명했다.
이는 광 흡수 정도에 따라 반도체에서 각기 다른 양의 광생성 전하(전자-정공 쌍)가 만들어질 때, 이산화티타늄 반도체에서 일정 시간 동안 저장된 이후 자연적으로 소멸되는 시간 또한 달라짐을 의미한다. 인체 신경의 기억-망각 시스템을 기존 스마트폰 등에 활용되는 이미지 센서와 저장을 위한 메모리에 추가한 것과 동일한 효과를 낼 수 있음을 밝혀낸 것.
서형탁 교수는 “인공시각 소자는 많은 요소 기술을 필요로 한다”며 “인공시각 소자에서 필수적인 환경적응형 광신호 감지를 단순하고 저전력으로도 구현이 가능한 투명 반도체 기반의 시각화 소자로 만들어 냈다는 데 이번 연구의 의의가 있다”고 말했다.
서 교수는 “이번에 개발한 소자는 지능형 광센서와 데이터 처리, 로봇 공학 등의 분야에서 널리 활용이 가능할 것”이라고 전망했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단주관 미래신소자기술원천기술개발사업 및 중견·기본 기초연구지원사업의 지원으로 수행되었다.
a. 시야각에 따른 인체의 시각인지 개념도: 시야각에 따라 시각 정보의 강도가 다르게 시신경에서 인코딩되어 시각피질의 시넵스 신경다발에 저장된다. 강도가 강한 정보는 더 장기간 저장되고 약한 정보는 단기간의 저장주기를 보인다.
b. 연구팀에서 모사한 환경적응형 광센서소자: 은나노선과 이산화티늄을 이용한 광다이오드 구조를 구현
c. 시야각에 따른 광흡수도의 차이: 정면에서 입력된 광신호가 더 강한 광흡수를 보인다.