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국내 연구진이 인간 생체 시각을 모사해 다양한 환경에 적응할 수 있는 일체형 광전소자를 개발하는 데 성공했다. 이에 인공신경형 시각 장치 개발 뿐만아니라 지능형 광센서와 데이터 처리 및 로봇 공학 등에 응용될 수 있을 것으로 기대되고 있다.
서형탁 아주대 교수(신소재공학과·대학원 에너지시스템학과)는 광시야각에 따라 차별적 정보 처리가 가능한 광센서 소자를 개발했다. 관련 내용은 ‘환경적응형 광전자 결합 시야각 인지 시스템’이라는 논문으로 나노 분야 국제 학술지 'ACS Nano' 10월호에 게재됐다. 김상완 아주대 교수(전자공학과)와 쿠마 모히트(Mohit Kumar) 연구원(제1저자)이 함께 참여했다.
인간의 시각 시스템은 광학 신호의 실시간 감지를 기반으로 빛의 밝기를 비롯한 주변의 환경에 자체 적응할 수 있다. 또한 대상의 상하나 좌우 위치를 감안해 광시야각에 따라 신호를 차별적으로 인식해 학습할 수 있는 능력도 갖췄다. 인간의 시각은 광학 정보를 포착한 뒤 광전 변환을 통해 적절한 크기의 전기 스파이크로 인코딩한다. 이 정보는 시각 피질로 전송돼 생체 시냅스 네트워크에 저장된다.
인간의 생체 시각을 모사해 인공 시각 기술을 구현하기 위해 그동안 많은 기술 개발이 진행돼 왔다. 그러나 간단한 구조와 합리적 전력에서 구동할 수 있는 인공 시각 기술의 개발은 여전히 많은 한계가 있었다.
아주대 연구팀은 다양한 환경에 적응할 수 있는 인간 신경계 모사 시각인지 광센서 소자를 개발하기 위해 고품질 이산화티타늄 산화물(TiO2) 나노 필름을 만들고, 그 위에 은나노선을 균일하게 배치하는 소자를 제조했다. 은나노 와이어(NW)를 통해 광시야각에 대한 광전효과를 극대화해 넓은 시야각도(± 70º)에서 시각적 처리가 가능할 수 있도록 한 것이다. 또 은 나노선과 이산화티타늄 산화물의 쇼트키 접합 구조에 따른 효과적인 광전 수집 효과를 통해 광(자외선 영역) 신호를 높은 감도로 감지하게 했다. 이러한 소자의 구조는 간단하면서도 효과적인 생체 시각 모사 접근 방식을 제공한다.
연구팀은 개발한 소자에서 3×3 어레이를 사용해 회로 수준의 다양한 환경에서도 인지가 가능한 시각 인지 기술을 구현해냈다. 이를 통해 광신호 패턴이 같더라도 시야의 각이나 빛의 세기, 광신호의 지속 시간과 간격 등 여러 환경 변수에 따라 광신호에 대한 기억의 강도와 시간이 달라지는 것을 확인했다. 더불어 개발한 소자가 실제 인체의 시신경 및 시각피질과 유사한 기전으로 작동하는 것을 확인하고, 뉴로모픽 광신호 저장 매커니즘이 광-전기 결합에 의한 쇼트키 다이오드에서의 전하 축적-손실에 의한 것임을 규명했다.
이는 광 흡수 정도에 따라 반도체에서 각기 다른 양의 광생성 전하(전자-정공 쌍)가 만들어질 때 이산화티타늄 반도체에서 일정 시간 동안 저장된 이후 자연적으로 소멸되는 시간 또한 달라짐을 의미한다. 인체 신경의 기억-망각 시스템을 기존 스마트폰 등에 활용되는 이미지 센서와 저장을 위한 메모리에 추가한 것과 동일한 효과를 낼 수 있음을 밝혀낸 것이다.
서 교수는 “인공 시각 소자에서 필수적인 환경적응형 광신호 감지를 단순하고 저전력으로도 구현이 가능한 투명 반도체 기반의 시각화 소자로 만들어 냈다는 데 이번 연구의 의의가 있다”며 “이번에 개발한 소자는 지능형 광센서와 데이터 처리, 로봇 공학 등의 분야에서 널리 활용 가능할 것”이라고 전햇다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 주관 미래신소자기술원천기술개발사업 및 중견·기본 기초연구지원사업의 지원으로 수행됐다.
