사람 뇌의 시냅스보다 더 적은 에너지를 쓰는 인공 시냅스가 나왔다. 게 껍질, 콩, 식물 줄기 추출물 성분으로 만들어진 인공 시냅스다. 다 쓴 뒤에는 흙 속에서 완전히 분해돼 전자 쓰레기 문제도 해결할 수 있을 것으로 기대된다.
울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 고현협 교수팀은 친환경 생분해 재료만으로 이뤄진 고성능 인공 시냅스를 만들었다고 9일 밝혔다.
시냅스는 뇌 뉴런에서 신호가 전달되는 지점으로, 앞쪽 뉴런에서 분비된 신경전달물질이 뒤쪽 뉴런의 수용체에 붙으면서 전기적 신호가 이어지는 형태다.
연구팀이 개발한 인공시냅스는 샌드위치 층처럼 생겼다. 이온결합층이 이온활성층 사이에 끼어 있는 형태다. 이온활성층에 전기 자극을 주면 활성층 안에 있던 신경전달물질 역할의 나트륨 이온이 방출돼 수용체 역할의 이온결합층과 붙는 방식이다. 전기 자극이 사라지고 난 뒤에도 일부 이온이 그 자리에 남아 다음 신호의 출력 세기를 조절하게 된다. 실제 사람 시냅스에서 신경전달물질이 수용체에 결합하고 일부가 잔류해 기억을 강화하는 과정과 흡사한 원리다.
이 인공 시냅스는 사람의 시냅스보다 더 적은 0.85 펨토(10⁻¹⁵) 줄(J)의 에너지를 써 이 같은 신호전달을 일으킨다. 에너지 효율이 뛰어난 사람 시냅스조차도 약 1~10 펨토 줄(2.4 × 10⁻¹⁶ ~ 2.4 × 10⁻¹⁵ 칼로리)을 소비하는데, 이보다 더 적은 에너지를 쓰는 것이다.
장기기억 유지 시간도 5994초(약 100분)를 기록했다. 이는 이제껏 보고된 분해성 인공 시냅스 중 가장 긴 시간이다. 장기기억 유지 시간은 이온이 이온결합층과 이온활성층 사이에 오래 머무를수록 증가한다.
또 인공 시냅스를 이루는 이온활성층과 이온결합층 모두 친환경 생분해성 물질이라 흙 속에서 16일 만에 모두 분해되는 장점이 있다. 이온결합층은 식물 줄기 등에서 유래한 셀룰로오스를 가공한 셀룰로오스 아세테이트이고, 이온활성층은 게 껍질 추출물인 키토산, 콩 추출물인 구아검 복합체 고분자 물질이다.
연구팀은 인공 시냅스가 열 자극을 학습하고 기억해 위험 상황에 대처하는 ‘생체 반사 로봇 손’도 만들었다. 온도가 높아지면 시냅스 내 이온 움직임이 활발해지며 신호 전달 효율이 높아지는데, 인공 시냅스에 이 변화가 남아 있게 된다. 덕분에 위험 수준의 열이 다시 감지되면, 증폭된 신호가 손을 움직이는 모터로 직행해, 뜨거운 물체를 바로 놓는 반사를 재현할 수 있다.
이번 연구는 에너지화학공학과 장유진 연구원, 나상윤 박사, 노윤구 박사가 제1저자로 참여했다. 연구팀은 “일반적으로 생분해성 소재는 내습성과 내열성이 떨어지는데, 강력한 수소 결합을 가질 수 있도록 소재를 설계해 이를 해결했다”며 “시냅스 구조도 단순해 제작도 쉽다”고 설명했다.
고현협 교수는 “인공 시냅스 기술에서 오랫동안 해결되지 않았던 초저전력·장기기억·기계적 안정성·완전 생분해성 문제를 동시에 해결했다는 데 의의가 크다”며, “지속 가능한 차세대 뉴로모픽 디바이스 개발의 기반을 마련한 중요한 전환점이 될 것”이라고 강조했다.
이번 연구는 한국연구재단 개인기초연구사업 (중견연구)의 지원으로 수행됐으며, 세계적 권위지 네이처(Nature)의 자매지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 11월 27일자로 게재됐다.
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