이은호 우리대학 화공생명공학과 교수 연구팀(이하 연구팀)이 유기물질을 기반으로 하는 인공 시냅스 소자의 구현을 위한 새로운 방법론을 제시했다. 해당 연구는 재료 과학 분야 최고 수준의 학술지 『Advanced Science』의 표지 논문에 ‘Unveiling the Role of Side Chain for Improving Nonvolatile Characteri stics of Conjugated Polymers-Based Artificial Synapse’라는 제목으로 게재됐다.

유기 인공 시냅스 소자는 인간의 뇌 속 뉴런을 잇는 기관인 시냅스를 생체모방한 소자로 ▲차세대 정보 기억 ▲복잡한 연산 기능 ▲고차원적 학습 기능 등을 수행할 수 있는 것으로 알려졌다. 전해질의 이온을 활용하는 유기 인공 시냅스 소자는 생물학적 신경전달 물질의 확산을 효과적으로 모방할 수 있어 전자공학, 컴퓨터공학, 생명공학 분야에서 활발히 연구되고 있다. 또한 패턴 인식, 드론, 자율주행 등 4차 산업혁명 분야에 폭넓게 활용될 수 있어 차세대 반도체 기술로 주목 받아왔다.

지금까지 제안된 유기물 기반 소자는 이종 구조 또는 용매 및 열처리와 같은 후처리 공정을 통해 소자의 특성을 제어할 수 있었으나, 많은 비용이 들고 반도체 소재의 특성이 저하되는 등의 다양한 문제점이 존재했다.

연구팀은 해당 논문에서 유기물질 기반의 인공 시냅스 소자의 구현을 위해 측쇄 알킬기의 제어를 통한 비휘발성 향상과 관련된 새로운 방법론을 제시했다. 연구팀은 공액 고분자의 측면 알킬기 길이를 조절함으로써 고분자의 결정을 배향하고 흡착에너지를 정밀하게 조절해 이온 흡착을 강하게 유지하도록 유도했다. 이를 통해 반도체 소자의 비휘발성 특성을 개선하고 생물학적 시냅스의 거동을 성공적으로 모사했다.

또한, 연구팀은 개발한 유기 인공 시냅스 소자를 기반으로 인공지능 학습을 시도했다. 해당 인공지능 모델은 약 94%의 손글씨 숫자 이미지 데이터(MNIST) 분류 정확도를 기록해 실제 뉴로모픽 시스템*으로의 응용 가능성을 확인했다.

이은호 교수는 “그동안 유기물을 통한 구현이 까다로웠던 뉴로모픽 소자를 새롭고 단순한 접근 방법을 통해 실현할 수 있음을 밝혔다는 점에서 학문적·기술적 의의가 있다”며 이번 연구를 기반으로 후속 연구를 진행해 진일보한 기술을 꾸준히 개발하겠다는 포부를 밝혔다.

해당 연구는 ▲우리대학 화공생명공학과 이은호 교수 연구팀 ▲국립금오공과대학교 고분자공학과 이원호 교수 연구팀 ▲부산대학교 나노에너지공학과 강준희 교수 연구팀이 공동으로 수행했다. ▲국립금오공과대학교 학사과정 성준호 학생 ▲포스텍 석박사통합과정 정세인 학생이 공동 제1저자로 참여했고 이은호 교수, 이원호 교수, 강준희 교수가 공동 교신저자로 연구에 참여했다.

한편, 해당 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 우수신진연구 및 지역대학우수과학자 사업으로 수행됐다.

*뉴로모픽 시스템: 뇌 속의 뉴런 형태를 모방한 회로를 만들어 인간의 뇌 기능을 모사하는 시스템 

김종현 수습기자

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