곽준영 교수, 이온 기반 생물학적 신경 활동 모사 뉴로모픽 소자 개발 성공
융합전자반도체공학부 곽준영 교수팀이 이차원 신소재를 활용하여 알칼리 이온 기반의 생물학적 신경 활동을 모사하는 뉴로모픽(Neuromorphic) 소자를 개발했다. 생체 신경 모사 시스템, 인공지능 및 차세대 컴퓨팅 기술 등 다양한 분야에서 응용 분야에서의 활용이 기대되는 본 연구 결과는 반도체 소재 및 소자 분야 세계적 권위지인 <Materials Today(JCR 상위 3.5%, IF: 21.1) 6월호에 게재됐다.
고효율 저전력 학습 시스템인 인간의 뇌를 모사하기 위한 뉴로모픽 소자는, 생체 내에서 사용되는 알칼리 이온이 아닌 구리(Cu), 은(Ag), 또는 유기 이온 물질들로 대체되어 연구되어 왔다. 인체 내의 생물학적 신호에 사용되는 칼륨(K+)이나 나트륨(Na+) 같은 알칼리 이온은 높은 화학적 반응성을 가져, 안정적인 전자 소자로 구현하기가 어려웠기 때문이다.
연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해, 칼륨 이온이 삽입된 고결정성 이차원 층상 MnO2 나노플레이트 신소재를 활용하여 소자를 제작했다. 개발된 소자는 소재 내부에 존재하는 칼륨 이온만을 이용해 외부 이온 공급 없이 작동하며, 전기적 자극에 따라 소재 내에서 가역적인 상변화 반응을 유도하고 이에 따른 저항 변화를 통해 생물학적 뉴런의 전기적 신호를 모사한다. 이러한 특성을 이용하여 단기 가소성(Short-term plasticity, STP)과 장기 가소성(Long-term plasticity, LTP) 특성이 동시에 발현되는 인간의 뉴런 기능 구현이 가능하다.
a. MOCVD 공정을 기반으로 칼륨 이온이 삽입된 2차원 MnO₂ 소재를 이용한 소자 개발
b. 전기적으로 유도되는 칼륨 이온의 이동으로 구현되는 상변화 반응을 통해 순차적 동작 인식이 가능한 이온트로닉스 플랫폼 개발
특히 연구팀은 개발된 소자를 기반으로 이온의 움직임에 의해 구동되는 고유한 혼성 가소성(hybrid plasticity) 특성을 활용하여 연속적인 동작을 구별할 수 있는 독창적인 인식 플랫폼을 구현했다. 이 플랫폼은 흑백 픽셀로 구성된 이미지 프레임을 소자에 입력하여, 프레임 간 겹치는 픽셀의 반응은 강화하고, 그렇지 않은 픽셀은 약화 시키는 방식으로 순차적인 움직임을 효과적으로 구별하도록 설계했다. 이를 통해 개발된 시스템이 순차적인 동작을 성공적으로 인식할 수 있음을 검증했으며, 물체의 연속적인 움직임을 판별할 수 있는 모션센서 플랫폼으로의 가능성을 확인했다. 본 연구는 알칼리 이온 기반 전자 장치의 새로운 활용 가능성을 제시하며, 특히 생체 신경 모사 시스템, 인공지능 및 차세대 컴퓨팅 기술 등 다양한 분야에서 응용 분야에서의 활용이 기대된다.
곽준영 교수는 “이번 연구는 이온 기반 전자 소자 분야에서 새로운 소재 플랫폼과 물리 현상을 제시한 중요한 전환점”이라며 “향후 소자의 성능을 더욱 향상시켜 실제 생물학적 시스템과의 융합을 통해 미래 기술의 혁신에 기여하겠다”고 밝혔다.
연구 결과를 담은 논문 「Electrolyte-free potassium ions intercalated in 2D layered metal oxide for imitating spatiotemporal biological neural dynamics」는 KAIST 연구팀과 공동연구를 통해 수행됐다.