시냅스는 인간의 뇌에 있는 뉴런과 뉴런이 신경 흥분 신호를 주고받을 수 있도록 축색돌기와 수상돌기가 만나는 부분으로 뇌 속에 수십조에서 수백조개가 있는 것으로 알려져 있다. 

뇌에서 정보를 전달하는 이러한 화학적 시냅스 정보 전달 시스템은 적은 에너지로도 고도의 병렬 연산을 처리할 수 있어 전 세계에서 시냅스의 생물학적 기능을 모방한 소자인 인공 시냅스 소자 연구가 진행되고 있다.

연구팀은 박경수 서울대 교수, 중앙대 박성규 교수, 황현상 POSTECH 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 전이금속 물질인 탄탈옥사이드를 Ta2O5-x과 TaO2-x의 2중층으로 구조화하고 그 표면을 제어해 다중치를 갖는 고신뢰성 인공 시냅스 소자로 개발했다.

연구팀이 개발한 인공 시냅스 소자는 전기신호의 강도에 따라 탄탈옥사이드층의 저항값이 점진적으로 커지거나 작아지면서 뇌의 시냅스 기능을 모사한 전기적 시냅스 소자로 Ta2O5-x의 한 층에서만 전류 제어가 가능하게 한다. 이를 통해 기존 소자의 내구성 한계를 극복할 수 있다.

뉴런 간 시냅스 연결 강도를 조절해 기억을 저장하는 장기강화작용, 기억을 지우는 장기억제작용 등 기억의 생성, 저장, 삭제 과정인 시냅스 가소성을 구현하는 실험에 성공했다.

연구팀이 적용한 비휘발성 다중치의 데이터 저장방식은 휘발성 CMOS(상보형금속산화반도체)와 같은 0, 1을 사용하는 디지털 신호를 기반의 데이터 저장 방식과 비교해 인공 시냅스 소자 시스템 면적이 작고, 회로 연결 복잡성이 덜하며 소모 전력을 1000분의 1 이상 줄일 수 있다.

연구팀이 개발한 새로운 개념의 고신뢰성 인공 시냅스 소자는 저전력 병렬 연산이 가능해 방대한 양의 빅데이터 정보처리를 위한 초절전 소자나 회로로 사용될 수 있다.

또 머신러닝과 딥러닝 등의 인공지능 개발, 두뇌 모방형 반도체와 같은 차세대 지능형반도체 소자 기술에 적용될 수 있다. 

이명재 DGIST 지능형소자융합연구실장은 "기존 인공 시냅스 소자의 신뢰성을 확보하고 단점을 개선했다"며 "뉴런 기능을 모방한 회로를 만들어 인간 뇌를 모사하는 뉴로모픽 시스템 인공지능 개발에 기여할 수 있을 것"이라고 말했다.  

이번 연구는 재료과학 분야 국제학술지 'ACS 어플라이드 머티리얼즈 & 인터페이스(ACS Applied Materials & Interfaces)'에 지난 달 23일자 온라인판에 게재됐다.