흥분성 및 억제성 신경전달물질로 인한 통각수용체의 동작 모식도.(KAIST 제공)/뉴스1

국내 연구진이 통증과 온도를 감지하는 반도체를 개발했다.

이 반도체는 인간을 모방하는 로봇인 휴머노이드 피부에 적용해 인간과 같은 방식으로 자극을 감지하는 센서로 활용될 수 있다.한국과학기술원(KAIST)은 신소재공학과 김경민 교수 연구팀이 새로운 메모리 소자인 멤리스터(memristor)를 사용해 통증 자극 민감도 조절 기능을 갖는 뉴로모픽 통각수용체 소자를 최초로 구현했다고 15일 밝혔다.

멤리스터는 메모리(memory)와 저항(resistor)의 합성어로 전류의 흐름에 따라 저항이 변화하는 전자소자를 말한다.

감각신경계의 핵심 역할 중 하나는 유해 자극을 감지해 위험한 상황을 회피하는 것이다.

그동안 감각신경계의 동작을 모사하는 전자 소자를 개발하는 연구가 활발히 진행돼 흥분성 신경전달물질의 특성은 쉽게 구현할 수 있었으나, 억제성 신경전달물질에 의한 임계치 조절 특성까지 동시에 구현하는 데는 한계가 있었다.이에 연구팀은 이중 전하 저장층 구조를 통해 외부에서의 자극에 대한 임계치를 조절할 수 있는 뉴로모픽 통각수용체 소자를 최초로 개발했다.

또 이 소자가 두 종류의 서로 다른 전하 저장층은 각각 전도성을 조절하는 흥분성 신경전달물질의 역할과 임계치를 조절하는 억제성 신경전달물질의 역할을 맡아 통각수용체의 필수적인 기능들인 통증 전달 특성을 조절할 수 있음을 확인했다.

이는 신경계의 복잡한 기능을 신경계의 동작 원리를 모방해 단순한 구조의 전자 소자로 구현하는 새로운 방법을 제시해 의의가 있다.

이 소자는 온도 자극에도 반응하는 온도수용체 특성을 보였다.

특히 억제성 상태를 제어해 단일 소자가 고온 범위와 저온 범위를 모두 감지할 수 있는 가변적인 온도수용체 특성을 구현했다.

이러한 통각수용체, 온도수용체 소자는 인간을 모방하는 휴머노이드 피부에 적용해 인간과 같은 방식으로 자극을 감지하는 센서로 활용될 수 있다.

김경민 KAIST 신소재공학과 교수

김경민 교수는 "이번 연구는 흥분성 및 억제성 신호 작용의 특성을 단일 소자에 구현해 간단한 반도체 기술로 복잡한 생물학적 감각신경계의 특성을 모사하는 새로운 방법론을 제시한 것에 큰 의의가 있다"며 "임계치를 조절할 수 있는 특성은 감각신경계 모사뿐 아니라 임계 스위칭 특성을 활용하는 보안 소자나 차세대 컴퓨팅 소자에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다ˮ고 말했다.

KAIST 신소재공학과 김근영 석박사통합과정 학생이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 한국연구재단, 나노종합기술원, KAIST, SK 하이닉스의 지원을 받아 수행됐다.

연구결과는 국제학술지 `어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)' 온라인 판에 지난달 21일 게재됐다.


memory4444444@news1.kr