한국과학기술원(KAIST, 총장 이광형)은 김경민 신소재공학과 교수 연구팀이 새로운 메모리 소자인 멤리스터를 사용해 통증자극 민감도 조절 기능을 갖는 ''뉴로모픽 통각수용체 소자'를 최초 구현했다고 15일 밝혔다.
인체의 통각수용체는 자극이 임계치를 넘어가는 경우 통증 신호를 발생시킨다. 이때 통각수용체의 신호 전달에는 통증 신호를 전달하는 흥분성 신경전달물질(Excitatory Neurotransmitter)과 외부 자극에 대한 임계치를 조절하는 억제성 신경전달물질(Inhibitory Neurotransmitter)이 관여한다.
그간 통각수용체 동작을 모사하는 '전자 소자 개발 연구'를 통해 실제 '흥분성 신경전달물질'의 특성을 구현한 사례도 있다. 반면 '억제성 신경전달물질'의 임계치 조절 특성까지 동시에 구현하기엔 한계가 있었다는 설명이다.
김경민 교수 연구팀이 개발한 '뉴로모픽 통각수용체 소자'는 이중 전하 저장층 구조를 이용, 외부 자극 임계치의 조절을 가능케 했다. 두개의 전하 저장층이 각각 다른 역할을 맡아 통각수용체의 필수 기능인 통증 전달 특성, 통증 완화, 통증 민감화 등 특성을 조절할 수 있었다는 설명이다.
신경계의 복잡한 원리를 '동작 원리 모방'으로 해결, 단순한 전자 소자로 구현한 것이다.
더불어 온도 자극에 반응하는 온도수용체 특성까지 보였다고 전했다. 특히 단일 소자가 고온 범위와 저온 범위를 모두 감지할 수 있는 가변적인 온도수용체 특성이 있었다고 밝혔다.
해당 소자는 통각수용체, 온도수용체의 역할로 휴머노이드의 피부에 적용하는 등 인간과 같은 방식으로 자극을 감지하는 센서로 활용할 전망이다.
김경민 교수는 "이번 연구는 간단한 반도체 기술로 복잡한 생물학적 감각신경계의 특성을 모사하는 새로운 방법론을 제시해 큰 의의가 있다ˮ라며 "임계치 조절 특성은 감각신경계 모사뿐 아니라 보안 소자, 차세대 컴퓨팅 소자에도 활용할 수 있을 것"이라고 말했다.
한편 이번 연구는 한국연구재단, 나노종합기술원, KAIST, 그리고 SK 하이닉스의 지원을 받아 수행했다. 김근영 KAIST 신소재공학과 석박사통합과정 학생이 제1 저자로 참여, 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈'에 온라인 게재한 상태다.
장세민 기자 semim99@aitimes.com
