▲ 이온 다이오드의 조절 가능한 이온고갈층 형성을 위한 소재 설계 및 특성화 개념도 / (A) 단일중합체(homopolymer)와 공중합체(copolymer) 형태의 CP 내 사슬 이완(segmental relaxation) 거동을 나타낸 모식도 (B) 본 연구의 목표를 개념적으로 나타낸 보드(Bode) 플롯. 순수 CP는 AP에 비해 큰 전도도 차이를 보이지만, 양이온성 공중합체는 AP와 유사한 수준으로 균형 잡힌 전도도를 달성 (C) 기계자극(piezo-ionic 거동)에 의해 유도되는 조절 가능한(tunable) 이온 고갈층 및 이온 붕괴(ionic breakdown) 현상의 개략도 (D) 본 연구에서 구현된 촉각 감응 소자와 기존 시냅스소자들의 에너지 소비량과 신호대잡음비(SNR) 비교 그래프(그림 및 설명=한양대학교 김도환 교수, 스탠퍼드대학교 김용민 박사후연구원)  © 특허뉴스

외부의 압력과 같은 기계적 자극에 스스로 반응하며 전류 흐름을 조절하는 초저전력 신경소자가 국내 연구진에 의해 처음 구현됐다. 반도체 기반 전자소자의 한계를 넘어, 인간의 촉각과 유사한 감각 인공지능과 저전력 자율감지 시스템 개발을 가속할 핵심 기술로 주목된다.

한국연구재단은 한양대학교 김도환 교수와 KAIST 문홍철 교수 공동 연구팀이 기계적 자극에 의해 전류가 자율적으로 제어되는 ‘기계자극 게이팅 이온 다이오드 신경소자’를 개발했다고 밝혔다. 해당 소자는 전자의 흐름을 제어하는 기존 반도체 다이오드와 달리, 이온의 이동 방향을 정밀하게 제어함으로써 신경 신호 전달을 구현하는 것이 특징이다.

인간–기계 인터페이스용 소프트 전자피부나 인공 촉각 시스템에서는 외부 자극을 선택적으로 감지하고 이를 기억·학습할 수 있는 인공 신경소자가 필수적이다. 그러나 기존 이온 다이오드는 양·음이온 간 전도도 비대칭으로 인해 계면에서 형성되는 이온고갈층이 불안정해, 외부 자극에 대한 선택성이 낮고 신호 응답의 일관성도 떨어지는 문제가 있었다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 새로운 분자 설계 전략을 적용했다. 고분자 내 양이온과 음이온의 전도도를 정밀하게 균형 조절함으로써, 계면에 안정적이고 두꺼운 이온고갈층을 형성하는 데 성공했다. 이를 통해 외부 기계적 자극에 따라 전류가 자율적으로 조절되는 초저전력 이온 다이오드 신경소자를 구현했다.

실험 결과, 해당 소자는 로봇 손가락에 부착했을 때 압력의 세기에 따라 LED 밝기가 단계적으로 변화하는 등 인간 촉각을 모사한 반응을 보였다. 특정 압력 임계값을 넘을 때만 전류가 흐르는 선택적 반응 특성과 반복 자극에 따라 반응이 강화되는 시냅스 가소성도 구현됐다. 에너지 효율 측면에서도 정지 상태에서 펄스당 0.41nJ, 압력 작동 시 1.49nJ로 동작해 기존 트랜지스터 기반 신경소자 대비 약 10배에서 50배 이상의 효율을 달성했다.

김도환 교수는 “이번 연구는 기존 반도체 소재 기반 전자 제어가 아닌 이온을 이용한 정보 처리 시스템에 관한 것으로 학술적 의의가 크다”라며, “생체 신경의 초저전력 전기화학적 신호 전달 원리를 인공소자에 구현한 점에서 인공지능형 감각 감지-신호 처리가 가능한 소자 개발의 새로운 돌파구로 평가된다”라고 밝혔다.

문홍철 교수는 “기존 전자 트랜지스터 기반 시스템의 구조적 복잡성과 에너지 비효율 문제를 근본적으로 개선해 인공 촉각, 신경형 AI 등 지능형 촉각 신경망 및 자율 감지 로봇 플랫폼 개발로의 응용이 가능하다”라고 부연했다.  

이번 연구 성과는 국제학술지 Science Advances에 12월 11일 온라인 게재됐다.

논문명은 A mechano-gated ionic diode enables low power synaptic tactile spiking이다.