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이태우 교수

(경북=NSP통신) 강신윤 기자 = 인간의 두뇌는 그 어떤 슈퍼컴퓨터보다도 뛰어난 시스템으로 알려져 있다.

약 천억(1011)개의 뉴런들과 그 사이의 약 백조(1014)개의 시냅스로 이루어진 복잡한 네트워크 구조를 가졌음에도 불구하고 가벼운 무게와 작은 부피는 물론, 아주 적은 에너지로 작동하기 때문이다.

그래서 인간의 두뇌 기능을 완벽하게 모방할 수 있는 인공지능 시스템 개발은 과학자들의 오랜 꿈이자 연구대상으로 여겨져 왔다.

POSTECH(포항공과대학교, 총장 김도연) 신소재공학과 이태우 교수(교신저자), 서문도 연구 교수(제1저자), 민성용 박사로 구성된 연구팀은 유기 나노섬유(혹은 유기 나노와이어)를 이용한 전자소자로 두뇌의 신경망을 이루는 생체 시냅스를 모방한 섬유 형태에서 주요 기능들을 구현하는데 성공했다.

특히, 이 기술은 생체 두뇌와 마찬가지로 에너지를 적게 소비해 눈길을 끌었다.

최근 인공지능에 대한 관심이 크게 높아짐에 따라 다양한 전자소자를 이용해 시냅스의 기능을 모사하려는 노력들에도 불구하고, 인공 시냅스 소자의 개발은 더디게 이루어져 왔다.

인간의 두뇌 속 신경망은 촘촘하고 정밀한 섬유형태로 구성되어 있어 이를 그대로 구현하기 어려울 뿐 아니라, 특히 생체 시냅스처럼 낮은 전력에도 시냅스의 기능을 그대로 유지하는 인공시냅스 소자의 개발이 난관에 부딪혔기 때문이다.

연구팀은 사람의 머리카락보다도 1000배 이상 가는 유기 나노섬유를 이용해 소자를 만들면서 고밀도와 초저소비전력이라는 두 가지 문제를 동시에 해결했다.

신경 섬유와 유사한 형태를 지닌 이 소자는 인간의 두뇌처럼 밀도가 높은 메모리를 구현할 수 있고, 재료의 특성 때문에 다른 소자에 비해 적은 양의 에너지로 작동한다.

게다가, 이 교수 연구팀은 독자적 기술인 전기장 보조 로보틱 나노섬유 프린팅 기술로 소자 사이즈를 대폭 줄여 전력 소비를 크게 낮추는데도 성공했다.

연구팀이 보유한 이 기술은 유기 나노섬유의 위치와 방향을 정확히 제어하면서도 적층 제조법(additive printing)으로 대량 생산을 가능케 해 3차원 신경망으로 구성된 인간의 두뇌 기능을 모방한 전자소자 시스템을 구현하는데 매우 효과적이다.

연구팀이 개발한 인공 시냅스 소자는 두뇌가 생체 시냅스의 작용을 통해 기억을 형성하듯 인공지능 시스템의 메모리에 필수적인 ‘단기 강화(short-term potentiation)', '장기 강화(long-term potentiation)' 등의 주요 기능들을 성공적으로 모사해냈다.

또 기존 연구에서 걸림돌로 작용한 전력 효율성도 크게 개선해 생체 시냅스와 동일한 수준의 적은 전력으로 작동하는 인공 시냅스 소자를 개발했다는 점에서 주목을 받았다.

이러한 성과를 인정받아 이 교수팀의 연구는 세계적 권위의 국제학술지 ‘사이언스’의 새로운 자매지인 ‘사이언스 어드밴시즈(Science Advances)' 최신호에 게재됐다.

논문 교신저자인 이 교수는 “이번 연구는 생체 모방 인공지능 시스템 개발에서 큰 난제 중 하나 였던 메모리 밀도와 소비 전력을 크게 개선해 앞으로의 도약을 이끌 수 있는 기반 기술이라는 데 의의가 있다”며 “유기 전자 소자의 새로운 응용분야의 길을 연 것으로 주목을 모았다”고 설명했다.

한편 이 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 미래유망 융합기술 파이오니어사업의 ‘뉴로모픽 반도체 소자 응용기술’ 연구단과 미래창조과학부가 추진하는 글로벌프런티어사업 ‘나노기반 소프트일렉트로닉스연구단의 지원으로 수행됐다.

NSP통신/NSP TV 강신윤 기자, nspdg@nspna.com
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