차세대 반도체 연구실의 연구 결과가반도체 소재 및 소자 분야 세계적 권위지인 ‘Materials Today’ (IF: 21.1, JCR 상위 3.5%)에 게재되었다. 논문의 제목은 ‘Electrolyte-free potassium ions intercalated in 2D layered metal oxide for imitating spatiotemporal biological neural dynamics’이며, 본 연구에서는알칼리 이온 기반의 생물학적 신경 활동을 모사하는 뉴로모픽 소자를 개발하였다.

고효율 저전력 학습 시스템인 인간의 뇌를 모사하기 위한 뉴로모픽(Neuromorphic) 소자는, 생체 내에서 사용되는 알칼리 이온이 아닌 구리(Cu), 은(Ag), 또는 유기이온 물질들로 대체되어 연구되어왔었다. 인체 내의 생물학적 신호에 사용되는 칼륨(K⁺)이나 나트륨(Na⁺) 같은 알칼리 이온은 높은 화학적 반응성을 가져, 안정적인 전자 소자로 구현하기가 어려웠기 때문이다. 본 연구에서는 이러한 한계를 극복하기 위해, 칼륨 이온이 삽입된 고결정성 이차원 층상 MnO₂ 나노플레이트 신소재를 활용하여 소자를 제작하였다. 개발된 소자는 소재 내부에 존재하는 칼륨 이온만을 이용해 외부 이온 공급 없이 작동하며, 전기적 자극에 따라 소재 내에서 가역적인 상변화 반응을 유도하고 이에 따른 저항 변화를 통해 생물학적 뉴런의 전기적 신호를 모사한다. 또한 개발된 소자는 외부에서의 추가적인 이온 공급 없이 소재 자체 존재하는 칼륨 이온만으로 거동하며, 단기 가소성(Short-term plasticity, STP)과 장기 가소성(Long-term plasticity, LTP) 특성이 동시에 발현되는 인간의 뉴런 기능 구현이 가능하다.

또한, 개발된 소자를 기반으로, 이온의 움직임에 의해 구동되는 고유한 혼성 가소성(hybrid plasticity) 특성을 활용하여 연속적인 동작을 구별할 수 있는 독창적인 인식 플랫폼을 구현하였다. 이 플랫폼은 흑백 픽셀로 구성된 이미지 프레임을 소자에 입력하여, 프레임 간 겹치는 픽셀의 반응은 강화하고, 그렇지 않은 픽셀은 약화시키는 방식으로 순차적인 움직임을 효과적으로 구별하도록 설계했다. 이를 통해 개발된 시스템이 순차적인 동작을 성공적으로 인식할 수 있음을 검증하였으며, 물체의 연속적인 움직임을 판별할 수 있는 모션 센서 플랫폼으로의 가능성을 확인하였다. 본 연구는 알칼리 이온 기반의 전자 장치의 새로운 활용 가능성을 제시하며, 특히 생체 신경 모사 시스템, 인공 지능 및 차세대 컴퓨팅 기술 등 다양한 분야에서 응용 분야에서의 활용이 기대된다. 

본 논문에는 이화여자대학교 곽준영 교수가 교신저자로 참여하였다. 해당 논문은https://doi.org/10.1016/j.mattod.2025.02.008에서 확인할 수 있다