[붙임] 연구결과 개요, 용어설명

1.연구배경

인간의 신경계는 극저전력(1-10 fJ) 수준의 전기적 자극으로도 신호를 처리하고 반복 자극을 통해 학습과 기억을 형성하는 뛰어난 적응성을 갖고 있다. 이러한 생물학적 시냅스 기능을 모방한 인공 시냅스 연구는 차세대 뉴로모픽 전자소자의 핵심 분야로 주목받고 있지만, 기존 생분해성 물질 기반의 인공 시냅스들은 환경 불안정성, 짧은 장기기억 유지시간, 상대적으로 높은 전력의 필요, 그리고 완전 생분해성 구현의 어려움 등 여러 한계를 가지고 있다. 이에 따라 생물학적 시냅스의 에너지 효율성과 학습 기능을 구현하면서도 환경에 안전하게 분해될 수 있는 새로운 구조의 인공 시냅스 개발이 요구됐다.

2.연구내용

이러한 문제를 해결하기 위해 키토산–구아검(CS–GG) 기반 이온활성층(IAL)과 셀룰로오스 아세테이트(CA) 기반 이온결합층 (IBL)을 적층한 완전 생분해성 다층 인공 시냅스(M-AS)를 개발했다.

이 소자는 전기 자극이 가해질 때 전기 자극 방향으로의 이온 이동과 IBL에서의 쌍극자 형성이 이루어지면서, IAL–IBL 계면에서 이온과 쌍극자와 전기적으로 결합하는 이온–쌍극자 결합(ion–dipole coupling, IDC) 메커니즘을 기반으로 일부 이온을 포획해 기억처럼 유지한다. 그 결과 이동성이 빠른 이온 (NaCl)의 활용으로 인한 생물학적 시냅스보다도 낮은 0.85 fJ의 초저전력으로의 동작과 반복 자극 시 장기기억(long-term memory)이 점진적으로 강화되어 최대 5944초 동안 유지되는 우수한 기억 성능을 보였다.

또한, CS–GG의 수소결합 기반 이중 네트워크 구조는 높은 내습성과 내열성을 제공해 기존 생분해성 소재의 물성적 한계를 극복했으며, Mg 전극을 포함한 모든 구성 요소가 16일 이내에 자연 분해되는 완전 생분해성을 입증했다. 더 나아가 개발된 시냅스를 열 감지 센서(서미스터)와 로봇 액추에이터에 통합해, 로봇이 열 자극을 학습·기억하고 위험을 스스로 판단해 반사적으로 반응하는 생체 모사형 인공 반사 시스템까지 구현함으로써 기술의 실제 응용 가능성을 확인하였다.

3.기대효과

이번 연구는 인공 시냅스 분야에서 초저전력·장기기억·기계적 안정성·완전 생분해성을 동시에 구현함으로써 차세대 뉴로모픽 디바이스 개발의 중요한 기반을 마련했다는 점에서 큰 의의를 가진다. 또한, 생체 모사 학습 기능을 갖춘 감각 모듈을 로봇 시스템에 적용할 수 있음을 보여줌으로써 향후 지능형 웨어러블 기기, 안전 모니터링 센서, 휴먼–머신 인터페이스(HMI), 나아가 사람처럼 감각을 학습하고 반응하는 휴머노이드 로봇 개발에도 기여 할 것으로 기대된다. 더불어 완전 생분해성 구조를 통해 환경 부담을 낮추고, 일회성 의료기기나 체내 삽입형 스마트 디바이스와 같은 친환경 전자소자 분야에서도 폭넓은 활용이 가능할 것으로 전망된다.

[붙임]  용어설명

1.시냅스

뇌에서 한 뉴런의 끝부분과 다음 뉴런이 맞닿는 지점. 전기 신호가 도착하면 신경전달물질이 분비되고, 이것이 다음 뉴런을 자극해 신호가 이어진다. 학습과 기억은 시냅스의 연결 강도가 변화하는 과정에서 만들어진다.

2.인공 시냅스

전자소자 안에서 생체 시냅스처럼 자극을 받으면 신호가 커졌다가, 반복 자극에 따라 ‘기억’이 쌓이고, 이에 따라 나중 자극에서 반응 세기가 달라지는 특성을 모방한 장치.

3.다층 인공 시냅스(M-AS, Multilayer Artificial Synapse)

키토산–구아검 기반 이온활성층(IAL) 두 장 사이에 셀룰로오스 아세테이트 기반 이온결합층(IBL)을 끼워 넣은 샌드위치 구조의 인공 시냅스다.

4.이온활성층(IAL, Ion-Active Layer)

게 껍질에서 얻은 키토산과 콩에서 유래한 구아검을 이중 네트워크로 묶고 여기에 소금(NaCl)을 넣어 만든 층이다. 전기 자극이 들어오면 내부에 있던 나트륨 이온이 움직여 신경전달물질처럼 행동하고, 반복 자극에서는 이온 일부가 계면에 남아 기억을 형성하는 역할을 한다. 생체 시냅스의 ‘신경전달물질 방출부’에 해당한다.

5.이온결합층(IBL, Ion-Binding Layer)

나무줄기에서 얻은 셀룰로오스를 가공해 만든 셀룰로오스 아세테이트로 구성된 층으로, 극성기를 갖고 있어 나트륨 이온을 붙잡아 두는 성질을 가진다. IAL에서 이동한 이온이 이 층에서 포획되면 신호가 강화되며, 이 잔류 이온의 양이 다음 자극의 반응 세기를 결정한다. 생체 시냅스에서 신경전달물질이 붙는 수용체(postsynaptic) 역할에 대응된다.

6.시냅스 후 전류(PSC, Postsynaptic Current)

전기 자극이 가해졌을 때 인공 시냅스의 ‘수용체 역할’을 하는 이온결합층(IBL)에서 형성되는 전기적 반응 신호다. 생체 시냅스에서 신경전달물질이 뒤쪽 뉴런을 자극하면 전류가 흐르듯, 이번 연구에서 개발된 M-AS에서도 이온이 IBL에 붙잡히는 정도에 따라 PSC의 크기가 달라진다. 반복 자극으로 이온이 더 많이 남으면 PSC가 점차 커지고, 이 변화가 곧 인공 시냅스의 ‘학습’과 ‘기억’으로 이어진다. 로봇 반사 시스템에서도 자극 강도와 지속 시간에 따라 PSC가 달라지고,이 전류 크기가 로봇이 위험을 감지하고 반응하는 기준으로 활용된다.

7.장기기억시간(Long-term memory time)

이온의 이동과 축적에 의해 형성되는 특성. PSC가 자극 이전의 초기값으로 다시 감소해 돌아오기까지 걸리는 시간을 의미. 시냅스에 새겨진 학습 정보를 얼마나 기억할 수 있는지와 직결된다.

[붙임] 그림설명

그림1. 저전력 장기기억을 형성하는 생분해성 다층구조 인공 시냅스의 구조

그림2. 인공시냅스 이온활성층의 기계적 성능 평가

그림3. 인공 시냅스와 열 감지·로봇 구동을 결합한 생체 모사형 반사 시스템