(왼쪽부터) 장영우 박사과정생(제1저자), 박성규 교수(연구책임자)

전자전기공학부·지능형반도체공학과 박성규 교수와 장영우 박사과정생으로 구성된 연구팀이 인간의 후각 감각기관과 뇌 신경구조를 모방한 차세대 지능형 반도체를 기반으로 ‘뉴로모픽 전자 코’ 기술을 개발하는 데 성공했다.

최근 센서가 발전하면서 인간의 오감과 뇌의 정보처리 기능을 모방한 뉴로모픽 센서 연구가 많이 진행됐지만, 가스에 의한 화학적 자극 신호를 처리하는 후각 모방 기술의 발전은 더뎠다. 시각이나 촉각 자극보다 과정이 복잡하기 때문이다.

일반적인 센서는 가스의 신호를 전기 신호로 변환해 가스의 존재 여부를 판단하는 방식으로 작동한다. 이와 달리 뉴로모픽 가스 센서는 인체의 후각 기관을 모방하는 방식으로 가스를 감지한다. 차세대 지능형 반도체 소자를 활용해 유해 가스가 축적됨에 따라 나타나는 전기 신호의 단계적인 증가를 감지하고 기억할 수 있기 때문이다.

박성규 교수 연구팀은 탄소나노튜브 소재를 이용해 뉴로모픽 가스 센서 소자를 개발했다. 단위 소자 내에서 노출되는 가스의 축적을 감지·기억하고, 빛 신호를 통해 단계적으로 회복하는 기술을 구현한 것이다.

앞서 있었던 뉴로모픽 가스 센서 개발 연구들은 가스 신호를 감지하는 센서, 메모리 기능을 위한 기억소자, 신호를 통합하기 위한 다양한 변환 회로를 포함한 시스템들에 집중했다. 단순화·일체화와는 거리가 먼 방법으로 연구들이 진행된 것이다. 그렇다 보니 인간의 코를 대체하는 ‘전자 코(E-Nose)’와 같은 응용 분야에서는 한계가 뚜렷하다는 평이 지배적이었다.

박성규 교수팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 일체화된 시스템을 개발하는 데 집중했다. 그 결과 단위 소자 안에서 일반 공기 중에 흔히 포함돼 있는 이산화질소 가스 축적을 감지하는 데 더해 위험한 수준에 도달하면 켜지는 알람, 빛을 통해 필요에 따라 주기적으로 신호를 억제하는 인체의 항상성까지 모방하는 데 성공했다. 

인간의 후각-뇌 신경세포 체계를 모방한 뉴로모픽 가스 센서 시스템 개략도와 가스 축적에 의한 전기적 특성

자세한 연구 내용은 전기전자 분야 저명 학술지 ‘Advanced Materials’에 지난달 14일 게재된 ‘항상성에 의한 자율적 회복이 가능한 후각신경계 모방 뉴로모픽 가스센서 시스템(Autonomous Artificial Olfactory Sensor Systems with Homeostasis Recovery via a Seamless Neuromorphic Architecture)’ 논문을 통해 확인할 수 있다. 연구 책임을 맡은 박성규 교수팀에 더해 동국대, 순천향대, 성균관대, 영국 케임브리지대 연구진도 논문 출판에 참여했다.

박성규 교수는 “이번 연구를 통해 기존 가스 센서에 필요했던 복잡한 구성요소에 대한 한계를 극복했다. 일체화된 시스템 내에서 인체 후각 기관의 다양한 기능을 구현하는 차세대 뉴로모픽 가스 센서 분야에 의미 있는 발전”이라며, “유해 가스의 노출이 끝나거나 무의미할 정도로 낮은 농도에서 인체의 자체적인 회복 능력을 지닌 항상성 기능을 구현했다는 점에서 인간의 후각 기관을 한층 깊이 이해하고 모방할 수 있는 중요한 연구성과다. 향후 위험한 환경에서 인간의 코를 대체하는 전자 코 등의 미래기술 분야에 크게 이바지할 것으로 기대한다”고 말했다.

항상성 기능을 탑재한 가스 축적 감지 및 알람 시스템