 생명체의 우수성을 모방하는 디지털 기술
반도체 소자 및 연료전지 성능향상에 활용
NASA(미국항공우주국)가 화성으로 보낸 탐사로봇 큐리오시티는 거미의 팔다리를 닮은 로봇팔과 바퀴다리를 지니고 있으며, 지진 시 수색구조를 돕는 로봇은 좁고 험한 지형을 자유자재로 오갈 수 있도록 뱀 모양으로 개발되고 있다. 산업용로봇은 인간의 팔을 닮은 로봇팔과 인간 시신경의 사물 인지능력을 닮은 센서를 활용함으로써 작업효율을 높이고 있다. 이처럼 디지털로 대변되는 공학기술이 아날로그인 자연 생태계를 모방하는 이유는 무엇일까? 이에 대해 독일의 로봇제조 업체인 훼스토 社는 ‘생존경쟁에서 살아남은 생명체의 우수한 특성’을 반영했기 때문이라고 밝혔다. 이런 생체모방 기술은 전기·전자 관련 연구진 사이에서도 활발히 진행되고 있다.
정리 김경한 기자│자료 한국연구재단, 성균관대학교, KIST
성균관대학교 전자전기컴퓨터공학과 박진홍 교수팀은 인간 두뇌의 동작원리를 모방한 시냅스 모방 반도체 소자와 인간의 눈 역할을 하는 광반도체 센서를 결합해 기존보다 뛰어난 반도체 소자를 개발하는 데 성공했다.
한국과학기술연구원(KIST) 연료전지연구센터 김진영 박사팀은 자연계 홍합의 접착원리를 모방해 연료전지용 고분자 전해질막의 내구성을 개선함으로써 수소연료전지의 성능과 안정성을 높였다.
시신경 모방 광시냅스 반도체 소자
이미지의 색상과 형태 동시에 인지
성균관대학교 전자전기컴퓨터공학과 박진홍 교수 연구팀이 美 스탠포드대, 캘리포니아대, 한양대와의 공동연구를 통해 시신경 모방 광시냅스 반도체 소자 기술을 개발했다고 밝혔다. 기존의 시냅스 모방 반도체 소자들은 이미지의 형태 정보만을 학습하고 인지하는 반면, 이번에 개발된 반도체 소자는 색상과 형태 정보를 동시에 학습하고 인지할 수 있다.
인간 두뇌의 동작 원리를 모방한 뉴로모픽 칩은 대량의 정보를 병렬로 처리해 소비 전력을 최소화하고, 자신의 연산 기능을 향상시킬 수 있어 차세대 정보처리 칩으로 각광받고 있다. 최근에는 뉴로모픽 칩의 병렬 정보처리와 학습 구현에 필수적인 시냅스 모방 반도체 소자에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
 [그림 1] 색상과 형태를 동시에 인지할 수 있는 시신경 모방 광시냅스 반도체 소자기존 시냅스 모방 반도체 소자와 달리 연구팀은 시냅스 모방 반도체 소자와 광 반도체 센서를 결합시켜 다양한 색상에 따라 다른 시냅스 특성을 보이는 한 단계 진보된 시신경 모방 광시냅스 소자를 구현했다(왼쪽 그림). 또한 이들로 구성된 광신경망을 활용해 이미지의 색상과 형태를 동시에 학습하고 인지할 수 있는 것을 확인했다(오른쪽 그림).
이에 박진홍 교수 연구팀은 시냅스 모방 반도체 소자와 광반도체 센서를 결합해 다양한 색상에 따라 다른 시냅스 특성을 보이는 시신경 모방 광시냅스 반도체 소자를 구현했다.
연구팀은 2차원 반데르발스 물질인 육방정계 질화붕소(h-BN)와 텅스텐 다이셀레나이드(WSe2)를 수직으로 쌓아올린 구조에 시냅스 모방 반도체 소자와 광 반도체 센서를 함께 구현했다. 이 수직 접합 구조 특성은 전자에너지손실분광법(EELS)과 에너지분산형 분광분석법(EDS), 라만 분광법(Raman spectroscopy)을 이용해 분석했다.
시냅스 동작을 모방하기 위해 요구되는 비휘발 메모리 특성은 h-BN 표면에 산소(O2) 플라즈마 공정을 적용해 전하 저장층을 형성시켜 확보했다. 참고로 형성된 전하 저장층 내부 전하들은 조절될 수 있으며, 이는 결과적으로 반도체 WSe2의 전도도를 조절해 특정 수준의 전류가 흐를 수 있도록 한다.
이렇게 구현된 시냅스 모방 반도체 소자의 ‘장기 기억 강화/약화 곡선’에서 높은 선형도와 600개 이상의 전도도 상태 수, 높은 전도도의 안정성(<1%의 변화), 66fJ의 낮은 스위칭 에너지 등의 우수한 시냅스 특성을 확인했다.
확보된 시냅스 모방 반도체 소자를 광 반도체 센서와 직렬로 집적시켜 기능성이 부여된 시신경 모방 광시냅스 반도체 소자를 구현했다. 인간의 눈 역할을 담당하는 광 반도체 센서에 특정 색상을 갖는 레이저 빛(적, 녹, 청)을 조사했을 때 시냅스 모방 반도체 소자가 특정 전도도 영역에서 시냅스 동작 특성을 보이는 것을 확인했다.
연구팀은 개발된 시신경 모방 광시냅스 반도체 소자를 활용해 색상과 형태를 동시에 학습하고 인지할 수 있는 광신경망을 이론적으로 구축했다. 광신경망을 활용해 색상 정보를 갖는 숫자 패턴을 학습하고 인지하는 과정의 시뮬레이션을 진행했고, 90% 이상의 높은 인지율이 확보될 수 있음을 확인했다.
박진홍 교수는 “광을 감지하는 반도체 소자뿐만 아니라 다양한 신호 감지 반도체 소자를 결합하는 후속 연구를 통해 인간의 오감 신경계를 모방해 대량의 비정형 정보를 효율적으로 처리할 수 있을 것”이라며, “뉴로모픽 칩 기능의 다각화를 통해 인공 신경망 기반 차세대 컴퓨팅 시스템의 발전에 크게 기여할 것으로 기대된다”라고 연구 의의를 설명했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 나노소재기술개발사업, 기초연구사업(중견연구, 기초연구실)의 지원으로 수행됐다. 연구 성과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 11월 30일자 논문으로 게재됐다.
홍합에 존재하는 도파민의 특성 모사
수명·성능 향상된 수소연료전지 구현
KIST 연료전지연구센터 김진영 박사팀은 바다생물인 홍합에 존재하는 도파민(Dopamine)의 뛰어난 표면 접착 특성을 활용해 수소이온전도도와 전해질막의 기계적 내구성을 동시에 개선한 강화복합 전해질막 수소연료전지를 구현했다.
수소전기차의 동력원인 수소연료전지는 대기 중 산소와 수소 기체를 연료로 활용해 전기를 생산하고 부산물로 물만 남게 하는 친환경 에너지 동력원이다. 이러한 수소연료전지는 수소 이온을 전달하고 양 전극을 분리하는 전해질막의 내구성이 연료전지의 수명을 결정하는 핵심적인 요소로 꼽힌다.
 [그림 2] 강화복합 전해질막 개발 모식도
김진영 박사팀은 홍합의 접착 원리에서 연료전지용 고분자 전해질막의 내구성을 개선할 아이디어를 발견했다. 이어 폴리도파민(polydopamine) 중합반응을 통해 다공성 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 지지체에 코팅하고, 이를 바탕으로 수소이온 전도성을 갖는 과불소계술폰산(PFSA) 고분자가 스며든 형태(함침, 含浸, impregnation)의 강화복합 고분자 전해질막을 개발했다.
강화복합 전해질막은 얇은 막으로 인해 수소이온 전도도와 기계적 내구성이 향상된 형태의 전해질막이다. 하지만 극소수성을 갖는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)에 과불소계술폰산(PFSA) 중합체(이오노머)를 조밀하게 스며들도록 하는 것이 어렵고, 막의 두께가 얇아 전해질 고분자가 분해돼 기체가 막을 투과하는 현상이 쉽게 나타나는 문제가 있었다.
연구진은 강화복합 고분자 전해질막에 표면 처리한 폴리도파민에 극소수성의 PTFE 표면을 친수성으로 개질시켜 친수성 이오노머를 쉽게 스며들게 하고, 고분자의 경계면에서 발생하던 균열이나 기공도 크게 줄였다. 또한 전해질막의 화학적 열화를 막아주는 산화방지제인 세륨(Ce) 성분을 지지체 표면에 결착해 연료전지의 내구성을 높여 안정적 구동이 가능하게 했다.
극한 조건에서 가속 수명시험을 수행한 결과, 연구진은 새로운 연료전지가 기존 전해질막을 사용한 연료전지에 비해 5천 회 이상의 습도 변화(상대습도 100%와 0%를 반복) 후에도 안정적인 성능을 유지하는 수명특성을 확인했다. 아울러, 가속 수명시험 후 기존 전해질막은 두께가 70% 가량 줄어들고 표면에 많은 손상이 발생했지만, 폴리도파민 전해질막은 두께가 97% 이상 유지되고 표면상태도 안정적으로 나타났다.
 [그림 3] 가속 수명테스트 전·후 강화복합 전해질막 미세구조 변화 비교
이번에 개발된 수소연료전지는 자연계 홍합의 접착원리를 모방한 소재의 활용으로부터 연료전지용 고분자 전해질막의 내구성을 개선시키는 방안을 찾았으며, 사용한 폴리도파민 소재뿐만 아니라 다양한 자연계 모사 인공 나노접착기술을 강화복합 고분자 전해질막에 활용할 수 있는 초석을 마련했다는 점에서 학계에서 주목받고 있다.
김진영 박사는 “이번 연구는 자연계 물질에서 아이디어를 얻어 그 현상을 모사한 기술로 기존 산업기술의 문제점을 극복했다는 데 의의가 있다”며, “향후 수소연료전지의 성능 향상을 이끌고 강화복합 고분자 형태의 전해질막을 활용하는 다양한 응용 분야 발전에 적용될 것으로 기대한다”고 밝혔다.
이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원으로 KIST 기관고유사업과 글로벌프런티어 사업으로 수행됐다. 연구 성과는 국제학술지인 ‘Advanced Functional Materials(IF: 13.325, JCR 상위분야 3.767%)’ 최신호에 게재됐다.
<Energy News>
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