▲ 왼쪽부터 서울대 이태우 교수(교신저자), 인하대 박성진 교수(교신저자), 서울대 박혜림 박사(제1저자)

서울대 재료공학부 이태우 교수와 인하대학교 박성진 교수 공동 연구팀이 탄화 질소 기반 이차원 물질을 이용하여 생체 시각 신경을 모사한 인공 시각 신경을 개발했다고 밝혔다.

이 교수팀은 개발한 시각 신경을 통해 자외선 대역의 빛 신호를 선택적으로 감지하고 해당 정보를 처리하여, 자외선 광 노출 정도를 생체 위험도에 따라 실시간으로 조절할 수 있는 스마트 윈도우 플랫폼을 구현하였다.

생체의 신경을 모사하는 뉴로모픽 전자 소자는 기존 폰노이만 컴퓨팅 기반 시스템이 갖고 있는 에너지 효율, 집적도 및 데이터 처리 속도의 한계를 근본적으로 해결할 수 있는 기술로 인공지능 및 사물인터넷 분야에서 크게 각광받고 있다.

특히, 빛 감응형 뉴로모픽 전자소자는 인체 감각 정보의 80%를 담당하는 시신경 내 생체 시냅스(뉴런과 뉴런 사이의 연결부위, 학습과 기억에 영향)의 동작 특성을 효과적으로 모사할 뿐만 아니라, 외부 시각 정보의 감지가 가능하여 다양한 스마트 센서로의 활용이 기대되는 차세대 기술이다. 그러나, 종전 관련 연구들은 단순히 빛 감지 기능과 시냅스 특성을 하나의 전자소자에 집적하는 수준에만 머물렀을 뿐, 그 실질적 활용방안이 매우 제한적이었다.

▲ 생물체의 안구 및 망막(위)과 뉴로모픽 전자 소자 기반의 인공 시신경(아래) 비교

연구팀은 특정 파장대역의 빛을 선택적으로 감지하여 외부의 자외선 위험도에 대한 판별이 가능한 빛 감응형 뉴로모픽 전자 소자를 개발하였다. 자외선광은 인체에 매우 유해함에도 불구하고, 인간 이외의 특정 조류 및 곤충에 의해서만 감지될 수 있는 파장 대역의 빛으로, 이를 실시간으로 감지하고 관련 정보를 처리할 수 있는 기술 개발은 가시광선 영역에 한정되어있는 인체의 시각을 확장시킬 수 있을 뿐만 아니라, 헬스케어 산업과 의료 분야에서 대단히 중요하다.

이번 연구에서는 자외선 대역의 빛을 강하게 흡수할 수 있는 탄화 질소 기반 이차원 물질을 합성하고, 이를 뉴로모픽 전자 소자의 광 흡수층으로 적용하여, 생체 수준의 저전력으로 구동 가능하며 자외선 대역의 빛에 선택적으로 반응하는 뉴로모픽 전자소자를 개발하였다. 이를 바탕으로, 외부 자외선을 감지하고 그 위험 정도에 따라, 실시간으로 자외선 노출 정도를 조절할 수 있는 스마트 윈도우 시스템을 구현해냈다.

이태우 교수는 “해당 기술은 단기적인 관점에서 다양한 자극 정보를 처리할 수 있다는 점에서 사물인터넷(IoT) 시대의 스마트 센서 플랫폼으로 이용될 수 있고, 자외선 노출 정도 및 위험도에 따라 스스로 차단할 수 있는 스마트 윈도우, 스마트 안경에도 적용될 수 있을 것으로 기대된다”며 “중장기적으로는 소프트 로봇의 전자 피부 및 인공 망막, 또는 생체 시신경과 연계될 수 있는 신경 보철 장치 개발 및 다양한 헬스 케어 산업 등에 폭넓게 응용될 수 있을 것”이라고 설명했다.

이번 연구 성과는 국제학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼스 (Advanced Materials)’ 1월 27일자에 게재되었다. 이 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구자지원사업, 중견연구자지원사업, 글로벌 프론티어 소프트일렉트로닉스 연구단, 서울대학교 창의선도 신진 연구자 지원사업의 지원으로 수행됐다.