빛에 따라 전류의 흐름이 조절되는 광 시냅스 소자는 전자형 시냅스 소자보다 동작속도는 빠르면서 전력소모가 낮다.

하지만 광반응성 제어에는 한계가 있어 두뇌 작동방식, 특히 외부 자극에 대응해 지속적으로 다음 신경세포로의 신호전달 세기를 바꾸는 시냅스 가소성(plasticity)을 모사하는 데 어려움이 있었다.

이장식 교수팀이 구현한 광 시냅스 소자는 칼슘이온이 유입된 신경세포에서 다음 신경세포로 신경전달물질이 분비되면서 전기적 신호가 전달되는 것처럼 빛으로 생성한 전자가 빛이 사라지면 서로 재결합하는 방식으로 전류의 세기를 바꾸면서 정보를 처리하는 구조다.

이 과정에서 분극돼 전류의 흐름을 제어할 수 있는 강유전체를 활용하면서 산화물 반도체에서의 전자 재결합을 제어, 소자의 신호전달 세기를 조절한 것이 이번 연구의 핵심성과다.

이장식 교수는 “강유전체 분극 특성을 활용해 시냅스의 가소성 특성 조절이 가능한 광 시냅스 소자를 처음으로 개발한 것”이라며 “기존에 제시돼 왔던 산화물 반도체 물질의 조성 제어와 외부 전압인가 방식이 아닌 강유전체 층의 분극을 이용하는 시냅스 가소성 특성 제어는 광 시냅스 소자 기반의 뉴로모픽 칩 개발에 새로운 패러다임을 제시할 것”이라고 말했다.

이어 “이 특성을 이용하면 강유전체 물질의 분극을 통해 적용분야에 따라 적합하게 가소성 특성을 조절할 수 있다. 광 시냅스 소자 기반 뉴로모픽 칩 개발의 가속화에 기여할 것으로 기대한다”고 부언했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구사업(중견연구) 및 미래소재디스커버리사업의 지원으로 수행됐다. 연구 결과는 재료분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’ 2월13일자에 게재됐다.