한국연구재단은 황철성 교수(서울대학교)·김경민 교수(한국과학기술원)·김유민 연구원 (서울대학교) 공동연구팀과 윤정호 박사(미국 메사추세츠 주립대) 연구팀이 각각의 연구를 통해 멤리스터 소자를 이용해 통각수용기 특성을 인공적으로 구현했다고 6일 밝혔다.

인간의 뇌를 구성하는 신경세포인 뉴런을 모사하는 뉴로모픽 연구가 크게 주목받고 있다. 특히 뉴런을 전자소자로 구현해내어 전기적 신호를 빠르게 처리하는 연구가 최근 활발히 진행되고 있다. 그러나 뉴런으로 전기적 신호를 보내기 위해서는 외부 자극을 감지하고 자극의 강도에 따라 생체 신호를 생성하는 수용기가 필수적이다. 지금까지의 뉴로모픽 연구는 신경 시스템의 또 다른 구성 요소인 수용기 부분에 대한 연구가 전무한 실정이었다.

연구팀은 전류의 흐름에 따라 저항의 세기가 변화하는 전자소자인 멤리스터의 임계 스위칭 특성이 통각수용기와 유사하다는 점에 착안했다. 인체의 통각수용기는 특정 값을 초과하는 자극에만 반응해 통증신호를 전달해준다. 멤리스터 역시 가해진 전압의 세기가 임계값보다 작을 때에는 큰 저항값을 가지고, 임계값보다 클 때에는 작은 저항값을 갖는다.

각 연구팀은 멤리스터를 이용해 통각수용기와 같은 통각 과민, 이질통, 회복 등의 특성을 완벽히 모사해냈다. 특히 황철성 교수·김경민 교수 연구팀은 무조건반사 기능까지 모사했으며, 윤정호 박사 연구팀은 멤리스터에 열전 소자를 접합해 외부 열 자극을 감지할 수 있는 기능을 구현해냈다.

특히 구조가 복잡한 기존의 상보형 금속산화 반도체(CMOS) 소자를 이용하지 않고, 간단한 금속-산화물 구조인 백금 전극-하프뮴 옥사이드-타이타늄 나이트라이드 전극 (Pt/HfO2/TiN) 구조의 소자를 멤리스터 소자로 사용해 생물학적 감각 체계를 모사했다는 것에서 큰 의의가 있다.

황철성 교수는 "이 연구는 세계 최초로 통각수용기 특성을 구현하는 전자소자를 개발한 것"이라며, "최근 관심이 급속도로 높아지고 있는 휴머노이드 발전에 기여할 것으로 기대된다"라고 연구 의의를 설명했다.

이 연구는 한국연구재단 글로벌연구실사업, 학문후속세대양성사업의 지원으로 수행됐으며, 재료분야 국제학술지 어드밴스트 머터리얼스(Advanced materials), 네이처 커뮤니케이션(Nature communication)에 각각 1월 10일, 1월 29일 논문으로 게재됐다. 이용민 기자

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