신소재공학과 홍성인(김선국 교수 연구팀)·
최승희(윤대호 교수 연구팀) 박사,
감각 순응 모방 뉴로모픽 포토트랜지스터 개발
- 빛에 의한 상분리 소재를 이용한 광수용체 순응 센서
- 새로운 뉴로모픽 칩 적용 기대

[그림1]신소재공학과 홍성인 박사(김선국 교수 연구팀), 최승희 박사(윤대호 교수 연구팀) 

신소재공학과 홍성인 박사(제1저자, 김선국 교수 연구팀)와 최승희 박사(공동 1저자, 윤대호 교수 연구팀)가 공동연구를 통해 인간의 감각 순응을 모방하는 뉴로모픽 포토트랜지스터를 개발했다고 밝혔다.

최근 인간과 전자기기를 연결하는 오감증강형 전자소자 및 소재 연구가 활발하게 이뤄지고 있으며, 오감의 기능이 잘 작동되지 않을 때 인공눈, 인공피부, 인공코처럼 이를 도와주는 스마트 인터페이스의 역할이 제안되고 있다. 특히, 인간의 눈을 담당하는 이미지센서는 실리콘, Ⅲ-V족 물질을 활용하여 제작하고 있다. 

하지만 기존의 이미지센서는 단순히 색을 읽어 구별하는 기능만 있어, 인간의 광수용체 순응 행동을 모방할 수 없었다. 광수용체 순응이란 주변의 반복적인 신호에 역가중치를 두어 이에 순응하고 다른 신호를 읽어 들이는 것을 말한다. 어두운 곳에 들어갈 때 인간의 눈이 어둠에 순응하여 다른 색들을 분간하는 암순응을 예로 들 수 있다.

신경계의 행동을 모방하는 뉴로모픽 엔지니어링의 관점에서 볼 때, 현재 연구 동향은 시냅틱 행동에만 국한되어 있어 수용체 또는 신경계와 같은 새로운 뉴로모픽 디바이스가 필요했다. 이에 연구진은 감각 순응 포토트랜지스터가 매력적인 뉴로모픽 디바이스가 될 것이라고 예상했다.

연구진은 페로브스카이트-전이금속 칼코겐 화합물의 이종접합에 기반한 포토트랜지스터를 개발하고, 페로브스카이트의 빛에 의한 상분리 특성을 이용하여 인간의 광수용체 순응 행동을 모방하는 광센서를 개발했다.

[그림2] 광수용체와 순응 센서의 모식도

연구팀은 빛 반응 시 상분리가 일어나는 할라이드 페로브스카이트 나노결정구조체와 2차원 나노판상물질의 이중복합체를 활용하면 RGB 광원에 선택적으로 순응할 수 있는 시신경망 모사 행동을 보이는 것을 밝혀냈다. [그림2 참조]

[그림3] 빛에 따른 할라이드 페로브스카이트의 위상분리를 통한 밴드구조 변화 

나아가 제일원리 밀도함수론 기반으로 할라이드 페로브스카이트의 조성 및 조성비를 조절하여 다양한 밴드 구조를 갖는 소재를 제작할 수 있으며, 상분리 효과가 극대화되는 물질 비교를 통해 밴드갭의 변화를 규명하였다. [그림3 참조]

[그림4] 광수용체 적색 순응 센서 결과 및 응용

이를 이용하면 외부 빛의 입력에 따라 특정 색만을 검출하거나 순응할 수 있는 인공지능형 이미지센서를 개발할 수 있다. 기존의 내시경으로는 출혈이 일어난 곳에 붉은색 피로 인해 구분하기 어려웠던 병변을 더 쉽게 검출할 수 있는 지능형 이미지센서 개발 가능성을 제시하였다. [그림4 참조]

[그림5] ACS Nano 표지 사진

연구결과는 세계적으로 권위 있는 학술지 중 하나인 ACS Nano(IF=14.58)에 게재되었으며, 8월호 표지를 장식했다.