메모리 없이 외부 기체 자극을 감지, 전자 코 및 휴머노이드 분야 활용

한국과학기술연구원 첨단소재기술연구본부 강종윤 본부장, 전자재료연구센터 윤정호 박사팀이 뉴로모픽 반도체 전자소자인 멤리스터 소자를 이용해 인간의 후각 신경 시스템과 유사하게 외부 기체 자극을 손쉽게 전기적인 신호로 변환하고 처리하는 전자소자를 개발했다고 밝혔다.

연구팀이 개발한 전자소자는 단일소자에서 외부 기체 자극을 전기적인 신호로 변환하고 이력을 저장할 수도 있다.



연구 배경

최근 인간의 감각과 신경 시스템을 모방하기 위해 이를 전자소자로 구현하고자 하는 연구들이 진행되고 있으며, 최근 관심이 급속도로 높아지고 있는 휴머노이드를 구현하기 위해 다양한 감각을 감지할 수 있는 센서와 뉴로모픽 소자를 연결하여 스마트 인터페이스 역할이 제안되고 있다.

이러한 기술을 활용하여 인공 시각, 청각, 촉각 등 다양한 인간의 감각을 전자소자로 구현한 연구 결과가 보고되고 있지만 단일 전자소자로 인공 후각 시스템을 구현한 연구는 현재까지 보고가 되어 있지 않다.

연구 내용
    
연구에서는 소자 내부의 저항값을 바꾸어 정보를 저장하거나 처리할 수 있는 멤리스터(memristor)를 이용하여 외부 기체 자극을 손쉽게 전기적인 신호로 변환 및 처리할 수 있게 하는 인간의 후각 신경 시스템 및 시냅스와 유사한 전자소자를 개발하였다. 

뉴로모픽 소자의 경우 시냅스와 시냅스 사이의 연결 강도를 의미하는 가중치를 제어할 수 있는 특성을 가지는데, 후각 시스템을 구현하기 위해서는 인간의 후각 시냅스처럼 외부 기체 자극에 대한 정보를 아날로그 방식으로 제어할 수 있어야 한다. 하지만, 일반적인 가스 센서로는 이러한 기능을 수행할 수 없다.



                                          그림 1. 외부 기체 종류에 따른 아날로그 후각 시냅스 특성을 나타내는 전자소자

개발된 전자소자는 기존 가스 센서와는 다른 방식을 보이며, 외부 환원성 기체가 금속산화물로 구성된 멤리스터의 채널 층과 반응하게 되면 산소 공공이 형성되면서 전기 저항이 낮아지게 된다. 반복적인 외부 기체 자극에 의한 점진적인 산소 공공의 증가를 이용한 저항 변화 소자를 구현함으로써, 시냅스 가중치를 손쉽게 제어할 수 있다.

또한, 개발한 인공후각 시냅스 소자를 가지고 손글씨 숫자 이미지 데이터 셋을 사용하여 가스 누출의 특정 패턴을 감지하는 신경망 시뮬레이션을 수행한 결과, 92.76%라는 최대 추론 정확도를 확보하여, 뉴로모픽 인공 후각 시냅스 소자로써의 우수한 성능을 입증하였다.

기대 효과
     
연구를 통하여 개발한 전자소자는 인간의 후각 시스템을 모방하려는 최근 연구 방향에 뚜렷한 지표가 되어 줄 것으로 생각된다. 이는 휴머노이드 로봇이나 IoT 산업 등에 적용할 수 있는 전자 코 개발 및 뉴로모픽 센서라는 새로운 연구 분야를 확장하는데 크게 기여할 것으로 기대된다.