인간 두뇌를 모사한 신호전달 세기가 조절되는 뉴모로픽 칩 모식도.[한국연구재단 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 한국연구재단은 포항공대 이장식 교수 연구팀이 강유전체 물질을 이용해 산화물 반도체의 광(光)반응성을 제어, 신호전달 세기가 조절되는 뉴로모픽 칩을 구현했다고 4일 밝혔다.

뉴로모픽 칩은 뇌의 구조와 시냅스의 가소성 특성을 기반으로 동작하는 인간 두뇌의 작동방식을 모사한 컴퓨터 칩을 말한다. 특히 전력소비를 기존 반도체 대비 수 백 배에서 수 십 만 배 이하로 줄일 수 있다는 장점이 있다.

뉴로모픽 칩 가운데 빛에 따라 전류의 흐름이 조절되는 광 시냅스 소자는 전자형 시냅스 소자보다 동작속도는 빠르면서 소비전력이 낮아 주목받는다.

하지만 광반응성 제어에 한계가 있어 두뇌 작동방식, 특히 외부 자극에 대응해 지속적으로 다음 신경세포로의 신호전달 세기를 바꾸는 시냅스 가소성을 모사하기 어려웠다.

연구팀은 디스플레이에 쓰이는 광반응성 산화물 반도체 층에 외부 전기자극 없이도 스스로 분극 특성을 유지할 수 있는 강유전체 하프늄 산화물을 적층해 빛으로 동작하는 인공 시냅스를 구현했다.

광 시냅스 소자는 칼슘이온이 유입된 신경세포에서 다음 신경세포로 신경전달물질이 분비되면서 전기적 신호가 전달되는 것처럼, 빛에 의해 생성된 전자가 빛이 사라지면 서로 재결합하는 방식으로 전류의 세기를 바꾸면서 정보를 처리한다.

이 과정에서 전류의 흐름을 제어할 수 있는 강유전체를 활용, 산화물 반도체에서의 전자 재결합과 소자의 신호전달 세기를 제어한 것이 이번 성과의 핵심이다.

그 결과 신경세포 간 연결강도, 즉 뇌의 학습과 기억에 관여하는 신호전달능력인 시냅스 가중치 변화가 20배 이상 증가했다.

이번 연구성과는 재료분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈’ 2월 13일자에 게재됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com