감각 순응 뉴로모픽 포토트랜지스터 개발
감각 순응 뉴로모픽 포토트랜지스터 개발
  • 함예솔
  • 승인 2020.09.09 16:50
  • 조회수 756
  • 댓글 0
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성균관대학교 신소재공학과 홍성인 박사와 최승희 박사가 공동 연구를 통해 인간의 감각 순응을 모방하는 뉴로모픽 포토트랜지스터를 개발했습니다. 해당 연구는 <ACS Nano>에 게재됐습니다.

ACS Nano 표지. 출처: 성균관대학교
ACS Nano 표지. 출처: 성균관대학교

인간의 눈 담당하는 이미지센서

 

최근 인간과 전자기기를 연결하는 오감증강형 전자소자 및 소재 연구가 활발하게 이뤄지고 있으며, 오감의 기능이 잘 작동되지 않을 때 인공눈, 인공피부, 인공코처럼 이를 도와주는 스마트 인터페이스의 역할이 제안되고 있습니다. 특히, 인간의 눈을 담당하는 이미지센서는 실리콘, Ⅲ-V족 물질을 활용해 제작합니다.

 

하지만 기존의 이미지센서는 단순히 색을 읽어 구별하는 기능만 있어 인간의 광수용체 순응 행동을 모방할 수 없었습니다. 광수용체 순응이란 주변의 반복적인 신호에 역가중치를 두어 이에 순응하고 다른 신호를 읽어 들이는 것을 말합니다. 어두운 곳에 들어갈 때 인간의 눈이 어둠에 순응해 다른 색들을 분간하는 암순응을 예로 들 수 있습니다.

 

신경계의 행동을 모방하는 뉴로모픽 엔지니어링의 관점에서 볼 때, 현재 연구 동향은 시냅틱 행동에만 국한돼 있어 수용체 또는 신경계와 같은 새로운 뉴로모픽 디바이스가 필요했습니다. 이에 연구진은 감각 순응 포토트랜지스터가 매력적인 뉴로모픽 디바이스가 될 것이라고 예상했습니다. 

 

인간의 광수용체 순응 행동을 모방하는 광센서 개발

 

연구진은 페로브스카이트-전이금속 칼코겐 화합물의 이종접합에 기반한 포토트랜지스터를 개발하고 페로브스카이트의 빛에 의한 상분리 특성을 이용해 인간의 광수용체 순응 행동을 모방하는 광센서를 개발했습니다.

광수용체와 순응 센서의 모식도. 출처: 성균관대학교
광수용체와 순응 센서의 모식도. 출처: 성균관대학교

연구팀은 빛 반응 시 상분리가 일어나는 할라이드 페로브스카이트 나노결정구조체와 2차원 나노판상물질의 이중복합체를 활용하면 RGB 광원에 선택적으로 순응할 수 있는 시신경망 모사 행동을 보이는 것을 밝혀냈습니다. 

빛에 따른 할라이드 페로브스카이트의 위상분리를 통한 밴드구조 변화. 출처: 성균관대학교
빛에 따른 할라이드 페로브스카이트의 위상분리를 통한 밴드구조 변화. 출처: 성균관대학교

나아가 제일원리 밀도함수론 기반으로 할라이드 페로브스카이트의 조성 및 조성비를 조절해 다양한 밴드 구조를 갖는 소재를 제작할 수 있으며 상분리 효과가 극대화되는 물질 비교를 통해 밴드갭의 변화를 규명했습니다.

광수용체 적색 순응 센서 결과 및 응용. 출처: 성균관대학교
광수용체 적색 순응 센서 결과 및 응용. 출처: 성균관대학교

이를 이용하면 외부 빛의 입력에 따라 특정 색만을 검출하거나 순응할 수 있는 인공지능형 이미지센서를 개발할 수 있습니다. 기존의 내시경으로는 출혈이 일어난 곳에 붉은색 피로 인해 구분하기 어려웠던 병변을 더 쉽게 검출할 수 있는 지능형 이미지센서 개발 가능성을 제시했습니다.


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