연세대 연구팀, 뇌 기능 모사하는 펩타이드 인공 시냅스 소자 세계 최초 개발

인공지능 반도체의 해답, 생체물질에서 찾아
세계적인 학술지 Nature Communications 19일 게재

[이데일리 오희나 기자] 연세대는 글로벌융합공학부 권장연 교수가 단백질의 작은 조각인 펩타이드를 사용한 인공 시냅스 소자를 세계 최초로 개발했다고 25일 밝혔다. 이번 연구는 서울대 재료공학부 남기태 교수와 서울대 화학생명공학부 이윤식 명예교수와의 공동연구를 통해 개발됐다. 인간 뇌의 뛰어난 에너지 효율성과 판단능력을 모방하고자 하는 뉴로모픽 칩, 자율주행 자동차 등 인공지능 연구의 핵심 기술로의 활용이 크게 기대된다.

이번 연구에 참여한 연구진의 모습. 뒷줄 왼쪽부터 권장연 연세대 교수, 송민규 연세대 학생, 남궁석 서울대 박사, 앞줄 왼쪽부터 이윤식 서울대 교수, 남기태 서울대 교수. 연세대 제공

연구진은 생체물질인 펩타이드를 사용해 뇌 속의 뉴런-뉴런 간 연결인 시냅스의 복잡한 메커니즘을 정밀하게 모사했다. 펩타이드는 단백질의 짧은 조각으로, 아미노산의 연결로 이뤄져 있다. 생물학적 시스템은 수소이온·전자 결합 전달(Proton-coupled electron transfer, PCET)이라는 독특한 현상을 통해 신호를 전달하는데, 이때 이러한 전달을 조절하는 보조인자로서 다양한 단백질·펩타이드 복합체가 사용된다. 20여 가지의 아미노산 중에서 타이로신(Tyrosine)은 이러한 신호전달에서 핵심적인 역할을 한다.

연구진은 자연계 신호전달 시스템 내에서 타이로신의 핵심적 역할에 주목해, 타이로신을 기반으로 한 아미노산 조합을 디자인하고 물리, 화학적 특성을 제어하는 연구를 진행했다. 지난 2014년, 특정 조합의 아미노산들로 이뤄진 펩타이드의 2차원 자가조립 특성을 발견해 거미줄과 같은 탄성을 가지는 펩타이드 나노필름을 개발하는 데 성공한 바 있고, 이러한 특성을 지닌 타이로신 함유 펩타이드가 전자소자로서 응용될 가능성을 확인했다.

이를 바탕으로 지난 7년간 삼성미래기술육성센터의 지원을 받아 생체물질의 특성 제어를 통한 새로운 전자소자 구현이라는 융합적이면서 도전적인 연구를 진행해왔고 최근 자연계에서의 펩타이드의 신호전달 메커니즘을 전자소자에서 인공적으로 모방할 수 있음을 발견하게 됐다. 이를 기반으로 기존에 연구됐던 인공 시냅스와는 다른 수소이온-전자 기반의 다입력 구동 인공 시냅스를 세계 최초로 개발하는 데 성공했다.

연구진이 개발한 소자는 실제 시냅스와 같이 이온 기반의 학습 능력을 보여 전압입력 없이도 스스로 학습하고 기억하는 기능을 보였다. 일반적인 전자소자와는 다르게 전기적인 입력신호를 주지 않고도 수소이온의 주입만으로 정보가 학습되는 특성을 보인 것이다. 해당 소자를 활용하면 인공지능 반도체의 전력소모를 획기적으로 줄일 수 있을 뿐 아니라, 전압구동과 이온구동의 두 가지 독립적인 작동모드를 활용해 다입력-다기능의 특성을 가지는 복합적이고 유동적인 뇌의 기능을 세부적으로 모사할 수 있다는 점에서 큰 장점이 있다.

권장연 교수는 “이번 성과는 인간 뇌의 동작원리를 전기적으로 모방하고자 하는 기존 뉴로모픽 연구의 틀에서 벗어나 실제 뇌와 같이 이온-전자의 복합적인 구동방식을 정밀하게 모사했다는 점에서 중요한 의의를 가진다”며 “자연 모방적인 접근법을 통해 인공지능 반도체 연구에 새로운 방향을 제시할 것”이라고 밝혔다.

공동교신저자인 서울대 남기태 교수는 “펩타이드가 전자소자로서의 재료적 우수성이 있음을 보여주는 첫 사례”라며 “펩타이드는 이온 움직임을 제어하는 생물시스템의 효율성을 모방하는 새로운 소재 플랫폼이 될 것”이라고 전했다.

이번 연구는 삼성미래기술육성사업에서 약 7년간의 지원을 받았으며 세계적 학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 19일자(영국 현지시간 기준) 최신호에 게재됐다.

오희나 (hnoh@edaily.co.kr)