주요 연구성과
NEW 서형탁 교수 연구팀, 촉각 인식용 인공 신경소자 개발
- 2020-04-21
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우리 학교 서형탁 교수 연구팀이 촉각 인식용 인공 신경 소자를 개발하는 데 성공했다. 생체 촉각과 신경을 모사한 신소자를 산화물 이종접합 구조를 이용해 구현한 것으로 피부부착형 전자장치와 인공지능형 센서기술 등에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
서형탁 아주대 교수(신소재공학과·대학원 에너지시스템학과, 사진)는 촉각성 신경 감각을 구현하는 촉각 모사 인공 시넵스 소자를 개발했다고 밝혔다. 관련 내용은 ‘촉각 인지를 위한 인공 압전 시넵스(An artificial piezotronic synapse for tactile perception)’라는 논문으로 나노 분야 국제 학술지 <나노에너지(Nano Energy)> 4월15일자 온라인판에 게재됐다. 우리 학교 김상완 교수(전자공학과)와 쿠마 모히트(Mohit Kumar) 연구원이 함께 참여했다.
인간의 다섯 가지 감각 중 촉각은 시넵스라 불리는 신경망을 통해 피부 말단의 자극 수용체에서 뇌신경으로 감각 신호가 전달된다. 인간의 촉각 신경은 터치감을 정확하고 섬세하게 인식할 수 있으며, 이는 강도가 다른 감정적인 느낌과 조화되어 기억으로 저장된다.
따라서 인간의 촉각 신경을 모사하기 위한 인공 촉각 신경 소자는 외부 물리적인 접촉의 강도를 상대적으로 다르게 인식하고 저장한 뒤, 기억하는 기능이 모두 통합되어야 하는 높은 수준의 기술이다.
서형탁 교수 연구팀은 니케산화물과(NiO) 아연산화물(ZnO)로 이루어진 이종 구조 기반 인공 감각 시냅스로 촉각성 신경 감각을 구현하는 인공 스넵스 소자를 개발해냈다. 연구팀은 머리카락이 외부 압력을 감지하는 방식을 모사, 산화물 이종접합 구조의 수직 감지체를 만들었다. 이 감지체가 압력의 크기와 방향에 따라 전류-전압 곡선 변화를 발생시켜 생체 촉각 감지와 유사한 기능을 구현해낸 것.
<환경적응형 촉각적 지각을 모방하는 매우 투명하고 유연한 인공 촉각 시냅스 개념도>
특히 이러한 촉각성 전류 변화를 비휘발성 메모리와 같이 일정 기간 동안 전하 보존을 통해 ‘기억’할 수 있는 특성이 있음을 확인했다. 연구팀이 개발한 소자 구조는 또한 인공 신경 회로에 필요한 대표적 특성인 신호 강화와 약화, 시간 차와 크기에 따른 신호 변화 같은 뉴런 시냅스의 모든 전형적 특성을 구현할 수 있어 생체 촉각 신경 회로와 기능적으로 매우 유사하다.
서형탁 교수는 “여러 개의 인공 촉각 소자를 배열한 테스트 터치 패드를 만들어 진폭이나 지속 시간 등 외부 변수에 대한 시공간 정보를 효과적으로 검출해냈다”며 “압력에 따른 패턴 형태로 구분하는 기능도 시연했다”고 설명했다.
촉각-신경-뇌로 이어지는 감각 신경을 모사하는 인공 신경 회로 아키텍처는 압력 센서와 연결 케이블, 그리고 인공 시냅스의 통합을 필요로 한다. 이는 매우 복잡한 장치 통합과 초저전력 에너지 소비를 구현해야 하는 높은 수준의 기술이다. 서 교수팀은 촉각 입력으로 출력을 조정할 수 있는 복잡하지 않은 제조 공정을 기반으로 초저전력·고정밀의 인공 시냅스를 개발해냈다.
서형탁 교수는 “이번에 개발한 인공 촉각 신경 소자는 기존의 다른 인공 촉각 회로와 비교해 복잡성이 낮고 전력 소비도 적은 데 비해 탁월한 환경 적응형 인공 터치 감지를 제공할 수 있다”며 “인공지능형 센서기술, 피부부착형 전자 장치, 로봇 공학 및 장애인을 위한 인공수족 같은 분야에 적용이 가능할 것”이라고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 주관 미래신소자기술원천기술개발사업 및 중견·기본 기초연구지원사업의 지원으로 수행됐다.