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외부의 기계적 자극에 스스로 전류 흐름을 조절하며, 초저전력으로 동작하는 기계자극 게이팅 이온 다이오드 소자가 국내 연구진에 의해 처음 개발돼 저전력 자율감지 시스템 및 촉각 신경망 소자 개발에 새로운 동력을 제공할 것으로 기대된다. 

한국연구재단(이사장 홍원화)은 한양대학교 김도환 교수, KAIST 문홍철 교수 공동 연구팀이 인간의 감각을 모사하는 인공 촉각 시스템에 활용 가능한 이온 다이오드 신경소자를 개발했다고 밝혔다. 인간–기계 인터페이스용 소프트 전자피부에서는 외부 압력과 같은 특정 자극에 선택적으로 반응하고, 그 자극을 신호로 변환하여 기억할 수 있는 인공 신경소자*가 필수적이다. 

하지만 기존 이온 다이오드는 내부에 포함된 양·음이온 간 전도도 비대칭성 때문에 계면에서 이온고갈층*이 매우 불안정하게 형성된다. 때문에 외부 자극에 대한 감지 선택성이 낮고, 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 형성하여 외부자극에 자율적으로 반응하는 초저전력 인공 다이오드 신경소자를 개발하였다. 새로운 소자는 로봇 손가락 부착 실험에서 실시간 압력 세기에 따라 LED 밝기가 단계적으로 조절되는 인간 촉각 모사형 반응을 보였다. 

압력이 일정 기준을 넘을 때만 전류가 흐르는 임계 반응형 특성과 반복 자극에 반응이 점차 강화되는 시냅스 가소성*도 구현했다. 또한 정지 상태에서 펄스당 0.41nJ, 압력 작동 시 1.49nJ의 초저전력으로 동작하여 기존 트랜지스터 기반 신경소자 보다 약 10배에서 50배 이상 높은 에너지 효율을 달성했다. 

김도환 교수는 “이번 연구는 기존 반도체 소재 기반 전자 제어가 아닌 이온을 이용한 정보 처리 시스템에 관한 것으로 학술적 의의가 크다”라며 “생체 신경의 초저전력 전기화학적 신호 전달 원리를 인공소자에 구현한 점에서 인공지능형 감각 감지-신호 처리가 가능한 소자 개발의 새로운 돌파구로 평가된다”라고 밝혔다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지‘사이언스 어드밴스(Science Advances)’에 12월 11일 온라인 게재되었다.