국립부경대 이은광 교수팀, 뇌 모방 소자의 ‘숨은 열쇠’ 게이트 전극 설계 전략 제시

- 김용희 연구교수·이은광 교수, 경상국립대·한양대·서울시립대·대만·이탈리아 공동연구팀

- 게이트 전극으로 인공 시냅스의 기억 특성을 조절하는 전략 총정리

- 재료과학 분야 세계적 학술지 ‘Advanced Functional Materials’ 게재

국립부경대학교 화학공학과 이은광 교수 연구팀이 국내외 연구진과 함께, 뇌를 닮은 유기 전자소자에서 그동안 주목받지 못한 ‘게이트 전극’으로 기억 특성을 조절하는 전략을 체계적으로 정리해 발표했다.

국립부경대 김용희 연구교수와 경상국립대 김우조 교수가 공동 제1저자로, 이은광 교수, 한양대 유호천 교수, 서울시립대 이신형 교수가 교신저자로 참여했으며, 대만 국립타이베이과기대 Wen-Ya Lee 교수와 이탈리아 브레시아대 Fabrizio Torricelli 교수가 함께했다.

이 연구 결과를 담은 논문 ‘Gate Electrode Engineering for Tunable Synaptic Plasticity in Organic Electrochemical Neuromorphic Devices’는 재료과학 분야의 세계적 학술지 ‘Advanced Functional Materials’(IF 19.9)에 10월 6일자로 게재됐다.

유기 전기화학 트랜지스터(OECT)는 이온과 전자가 함께 움직이며 신호를 전달하는 구조가 뇌의 시냅스와 닮아, 적은 전력으로 학습하고 기억하는 인공지능 하드웨어로 주목받고 있다. 지금까지 연구는 주로 전류가 흐르는 반도체층에 집중됐고, 신호를 넣는 게이트 전극은 단순한 ‘입력 단자’로 취급돼 왔다.

연구팀은 게이트 전극이 이온을 밀어 넣고, 붙잡아 두고, 다시 빼내는 과정을 직접 결정한다는 점에 주목했다. 게이트의 소재, 구조와 형태, 전해질과 맞닿는 계면이라는 세 가지 축으로 최신 연구를 정리하고, 게이트 설계만으로 짧은 기억을 긴 기억으로 바꿀 수 있음을 보였다. 또한 금속·탄소부터 전도성 고분자와 금속유기골격체(MOF)까지 다양한 소재를 비교하고, 연합 학습과 저수지 컴퓨팅 등 응용 사례와 대면적 집적을 위한 과제를 함께 제시했다.

연구팀에 따르면 전극이 이온을 받아들이고 저장하는 능력인 정전용량은 소재에 따라 크게 달라지며, 이를 조절하면 기억의 지속 시간도 바꿀 수 있다. 특히 표면적이 넓고 기공이 많은 탄소 전극은 단기 기억과 장기 기억 사이의 특성을 조절하는 데 활용할 수 있고, 이온을 내부에 저장할 수 있는 전도성 고분자 전극은 장기 기억 특성을 구현하는 데 유리하다. 또한, MOF와 같은 다공성 소재는 기공의 크기에 따라 특정 이온을 선택적으로 통과시키는 기능을 제공하는데, 이는 전극의 전하 저장 능력뿐 아니라 이온의 선택적 이동을 통해 기억 특성을 조절할 가능성을 보여 준다.

이번 연구는 뇌 모방 소자 설계의 관점을 반도체층에서 게이트 전극까지 넓혔다는 점에서 의의가 있으며, 저전력 인공지능 반도체와 바이오 전자소자 개발의 설계 지침이 될 것으로 기대된다.

이은광 교수는 “그동안 조연으로 여겨지던 게이트 전극이 뇌 모방 소자의 기억을 설계하는 주연이 될 수 있음을 보여 준 연구”라며 “계면에서 이온이 어떻게 움직이는가에 대한 기본 원리를 이해하는 것이 차세대 인공지능 반도체의 출발점”이라고 밝혔다.

이 연구는 한국연구재단 2026년 우수신진연구(유형B) 사업(RS-2026-25498529)과 2026학년도 국립부경대학교 글로벌 공동연구 지원(202607920001)을 받아 수행됐다.

※ 붙임: 연구진 사진. 김용희 연구교수(왼쪽), 이은광 교수.