캐스케이드 뉴로모픽 구조의 개념 및 공정 구현.(사진=부산대 제공)

부산대학교 국제공동연구팀이 사람 눈의 망막처럼 빛을 보자마자 신호를 스스로 키우고 기억하는 새로운 이미지 센서를 개발했다. 인간 망막의 신경 신호 전달 방식을 모사해 빛을 감지함과 동시에 신호를 증폭하고 기억하는 방식으로, 향후 인공지능 카메라와 자율주행·로봇 비전, 인공 시각 보조 기술 등 다양한 활용이 기대된다.

부산대는 전기전자공학부 심현석 교수 국제공동연구팀이 인간의 시각 경로(망막-뇌)처럼 빛을 ‘보고-처리하고-기억하는’ 기능을 하나의 구조에서 동시에 수행하는 차세대 곡면형 뉴로모픽(Neuromorphic·뇌신경모사형) 이미징 소자를 개발했다고 20일 밝혔다.

이번 성과는 기존 카메라 센서가 촬영(감지)과 처리·기억이 분리돼 전력 소모와 데이터 병목이 컸던 한계를 극복하고, 미래 저전력·고효율 인공지능 비전 시스템 구현을 앞당길 핵심 기술로 주목된다.

연구팀은 실리콘 태양전지(silicon solar cell)와 전해질 기반 시냅스 트랜지스터를 직렬로 연결한 캐스케이드(cascade) 광-전(optical-electrical) 시냅스 구조를 통해, 인간 망막에서 나타나는 시냅스 촉진(synaptic facilitation) 특성을 높은 수준으로 구현했다. 이 구조를 다수 집적하고, 키리가미(kirigami, 절개·접기) 구조 기반 설계를 적용해 사람 눈과 유사한 곡률의 곡면 뉴로모픽 이미저를 제작함으로써, 기존 이미지 센서와 달리 빛 감지와 동시에 신호 전처리 및 기억 기능 수행이 가능함을 실험으로 입증했다.

일반적인 이미지 센서는 빛을 전기 신호로 변환하는 역할에 주로 머물며, 인식·판단 등 고차 처리는 별도의 인공지능 프로세서가 담당한다. 이 과정에서 데이터 이동이 과도해져 병목 현상, 전력 소모 증가, 처리 지연이 발생하는 문제가 꾸준히 제기돼 왔다. 반면 인간의 망막은 빛을 감지하는 동시에 신경 신호를 ‘전처리’하는 고효율 구조를 갖는다.

연구팀은 이러한 망막 메커니즘에서 착안해, 태양전지가 빛을 전기 신호로 변환하고(1단), 해당 전기 신호가 시냅스 트랜지스터의 입력으로 다시 사용되는(2단) 캐스케이드 시냅스 메커니즘을 제안했다. 특히 태양전지-전기이중층(EDL) 커패시터 결합 구조에서 생성되는 전기 신호 자체가 PPF(짧은 시간 간격 자극이 누적돼 반응이 커지는 현상) 특성을 자연스럽게 포함해, 신호 전처리 단계에서부터 생물학적 시냅스와 유사한 시간적 누적 효과를 구현했다.

그 결과 연구팀은 기존 단일 시냅스 소자 대비 신호 증폭률과 기억 특성을 크게 향상시키는 동시에, 선형적인 가중치 변화를 통해 뉴로모픽 학습의 정확도 또한 개선했다. 나아가 키리가미 구조로 구현한 곡면 설계를 통해 인간 눈과 유사한 형태의 뉴로모픽 이미징 시스템을 실현했다.

한국을 비롯해 미국·중국·홍콩 등 글로벌 연구진이 참여한 이번 연구 성과는 향후 차세대 인공지능 카메라, 자율주행 및 로봇 비전, 인간-기계 인터페이스(HMI), 인공 시각 보조(시각 보철) 기술 등 다양한 분야에서 저전력·고효율 뉴로모픽 비전 플랫폼으로 활용될 것으로 기대된다.

심현석 부산대 교수는 “이번 연구는 소자 구조와 신호 전달 방식을 통합적으로 설계한 뉴로모픽 비전 플랫폼을 제안한 것으로, 인간의 시각 경로(망막-뇌)처럼 ‘보고, 처리하고, 저장하는’ 전자 시스템 구현에 한 걸음 더 다가갈 수 있게 됐다”고 말했다.

인간의 망막처럼 신호를 증폭하고 기억하는 뉴로모픽 이미저를 개발하고 실증한 이번 연구 논문은 부산대 전기전자공학부 심현석 교수가 제1저자, 미국 일리노이대 어바나-샴페인(University of Illinois Urbana-Champaign, UIUC) 위춘장(Cunjiang Yu) 교수가 교신저자로 수행했으며, 세계적인 학술지 『네이처』의 자매지인 『네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)』 온라인판 1월 7일자에 게재됐다.