이수연 한국과학기술연구원 인공뇌융합연구단 책임연구원팀이 인체 감각기관의 정보처리 방식을 흉내내 방대한 데이터에서 빠르게 패턴을 찾아내는 뉴런 소자를 개발했다.(사진= KIST )

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 인공뇌융합연구단 이수연 박사팀이 저전력·고효율 인공감각 뉴런소자를 개발에 성공했다고 6일 밝혔다. 인간 신경계를 모방한 인-센서(in-sensor) 컴퓨팅 실용화의 열쇠로 인공지능(AI)도 개발에 기대된다.

뉴런(neuron)은 눈과 코, 입, 귀, 피부 등의 감각기관이 받아들이는 외부 자극을 뇌에 쓰이는 정보로 처리하는 신경세포다. 신경세포는 나트륨 통로, 칼륨 통로등의 이온 통로를 발현하여 다른 세포와는 달리 전기적인 방법으로 신호를 전달할 수 있다.

뉴런에는 이온 채널이라고 불리는 나노미터 크기의 구멍을 지닌 막이 있는데, 이 막은 받은 자극에 따라 열리고 닫힌다. 이 과정에서 발생하는 이온 흐름은 전류를 생성하며, 이 전류는 뉴런이 서로 통신할 수 있도록 하는 중요한 신호인 활동전위(action potential)를 방출한다.

돌기 모양 파형을 보이는 스파이크 신호는 두뇌가 적은 에너지로도 인지·학습·추론·예측·판단 등 복잡한 작업을 신속하게 통합 수행하게 하는데 중요한 역할을 한다.

연구팀은 OTS(Ovonic Threshold Switch) 소자를 이용해 뉴런의 동작을 모방하는 소자를 개발했다. OTS 소자는 2단자 스위칭 소자로, 스위칭 전압 이하에서는 높은 저항 상태를 유지하고 그 이상에서는 급격히 저항이 줄어드는 특성이 있다.

시각 뉴런 소자의 개발 및 이를 인공지능 기술과 결합한 인-센서 컴퓨팅 기술 구현 모식도. 폐 엑스레이 이미지 학습을 통한 코로나19 진단이 가능하다. (자료=KIST)

외부 자극을 전압으로 변환해 특정 세기가 넘어설 때 신호를 발생시키는 소자다. 이 소자는 전압을 가하지 않으면 10~100메가옴(MΩ)의 매우 높은 저항을 갖는다. 특정 수준 이상의 전압을 가하면 0.1~1킬로옴(kΩ)의 저항이 낮은 상태로 스위칭이 발생한다. 여기에 외부 자극을 전압으로 변환하는 센서를 연결했다.

이번 연구에서는 한발 나아가 감각기관에 입력되는 방대한 데이터 사이에서 빠르게 패턴을 찾아내 추상화하는 뉴런의 거동 모사를 목표로 했다. 이를 위해 스위칭 전압을 제어할 수 있는 3단자 OTS 소자를 개발했다. 3단자 OTS 소자의 제3전극에 외부 자극을 전압으로 변환하는 센서를 연결, 외부 자극에 따라 스파이크 신호의 형태가 달라지는 감각 뉴런 소자를 구현했다.

연구진은 이 3단자 OTS 소자를 광전 변환 센서와 연결, 인체 감각기관의 정보처리 방식을 흉내내는 인공시각 뉴런소자를 구현했다. 또 인공시각 뉴런 소자를 두뇌의 시각 중추를 모사한 인공 신경망과 연결, 폐 엑스레이 이미지 학습을 통해 86.5%의 정확도로 코로나19와 바이러스성 폐렴을 구별할 수 있음을 보였다.

맥박이나 혈압의 시계열 패턴 분석을 통한 급성 심장질환 예측, 가청 주파수 바깥의 진동을 감지해 건축물 붕괴 사고나 지진, 쓰나미 등을 예방하는 초감각 구현 등 생명·안전과 관련된 다양한 사회 문제 해결에 기여할 수 있다고 연구진은 전망했다.

이수연 KIST 인공뇌융합연구단장은 "이번에 개발한 인공감각 뉴런소자는 기존 센서와 연결, 시각과 촉각 등 다양한 감각 뉴런소자를 구현할 수 있는 플랫폼 기술"이라며 "인-센서 컴퓨팅 분야에서 매우 중요한 기술"이라고 밝혔다.

이번 연구는 KIST 기본연구사업, 한국연구재단 미래반도체 신소자 원천기술개발사업 및 차세대지능형반도체 기술개발사업의 지원을 받아 수행되었다. 연구 결과는 나노 분야 저널 '나노 레터스(Nano Letters)' 최신호에 게재됐다.