KAIST, 감각신경계 특성 모사한 반도체 소자 개발

[충청뉴스 이성현 기자] 국내 연구진이 감각신경계 특성을 모사한 반도체 소자를 개발했다.

한국과학기술원(KAIST)은 신소재공학과 김경민 교수 연구팀이 새로운 메모리 소자인 멤리스터를 사용해 통증자극 민감도 조절 기능을 갖는 뉴로모픽 통각수용체 소자를 최초로 구현했다고 15일 밝혔다.

감각신경계의 핵심적인 역할 중 하나는 유해한 자극을 감지해 위험한 상황을 회피하는 것이다. 특히 통각수용체는 자극이 민감도의 임계치를 넘으면 통증 신호를 발생하여 인체가 자극에서 회피할 수 있도록 한다.

이를 위해 통각수용체의 신호 전달에는 통증 신호를 전달하는 '흥분성 신경전달물질'과 외부 자극에 대한 임계치를 조절하는 '억제성 신경전달물질'이 관여하는 것으로 알려져 있다.

억제성 신경전달물질은 흥분 작용과 역균형을 이뤄 신경의 과도한 활성화를 방지하고, 다양한 외부 자극에 적절하게 반응하기 위한 핵심적인 역할을 가지게 된다.

그동안 이러한 복잡한 감각신경계의 동작을 모사하는 전자 소자를 개발하는 연구가 활발히 진행됐는데 기존의 연구에서는 흥분성 신경전달물질의 특성은 쉽게 구현할 수 있었으나 억제성 신경전달물질에 의한 임계치 조절 특성까지 동시에 구현하는데 한계가 있었다.

연구팀은 이중 전하 저장층 구조를 통해 외부에서의 자극에 대한 임계치를 조절할 수 있는 뉴로모픽 통각수용체 소자를 최초로 개발했다.

두 종류의 서로 다른 전하 저장층은 각각 전도성을 조절하는 흥분성 신경전달물질의 역할과 임계치를 조절하는 억제성 신경전달물질의 역할을 맡아 통각수용체의 필수적인 기능들인 통증 전달 특성, 통증 완화, 통증 민감화 등 특성을 조절할 수 있음을 확인했다.

또 이 소자는 온도 자극에도 반응하는 온도수용체 특성을 보였으며, 특히 억제성 상태를 제어하여 단일 소자가 고온 범위와 저온 범위를 모두 감지할 수 있는 가변적인 온도수용체 특성을 구현할 수 있었다.

김경민 교수는 "임계치를 조절할 수 있는 특성은 감각신경계 모사뿐 아니라 임계 스위칭 특성을 활용하는 보안 소자나 차세대 컴퓨팅 소자에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다ˮ고 설명했다.