삼성미래기술육성사업이 지원한 ‘인공지능 센서’·‘인공 항체’ 연구 성과, 최상위 학술지 게재

삼성미래기술육성사업이 지원하는 연구 과제가 최상위 국제학술지인 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’, ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’에 게재되며 성과를 인정받고 있다.

□ 인간 두뇌의 기억과 학습 등의 능력을 모방하는 인공지능 센서 개발

양희준 카이스트(KAIST) 물리학과 교수 연구팀은 멤리스터^[1] 소자를 기반으로 뇌의 기능을 모방해 글자를 인식할 수 있는 인공지능 센서를 개발했다.

연구 결과를 담은 ‘2차원 멤리스터에 기반한 언어 학습용 센서 내 축적 컴퓨팅(In-sensor reservoir computing for language learning via two-dimensional memristors)’ 제목의 논문은 뇌의 정보 처리 과정을 모방하는 뉴로모픽 기술에 새로운 방향을 제시한 성과를 인정받아 지난 14일(미국 현지시간) ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 게재됐다.

뇌 신경망은 신경세포인 뉴런과 뉴런과 뉴런 사이를 연결하는 시냅스 등으로 구성돼 있다.

시냅스는 뉴런에서 입력된 정보를 연산하고 학습하는 기능을 수행한다.

특히, 시냅스에서의 정보 처리는 대단히 효율적으로 이루어져 약 20W 수준의 에너지를 사용할 뿐이다.

예를 들어, 인간과 바둑 대국을 진행한 인공지능 프로그램은 인간의 2,800배에 달하는 약 56kW의 에너지를 소모하는 것으로 알려져 있다.

시냅스 정보 처리가 효율적인 이유는 일을 많이 하는 부위의 시냅스 연결은 강해져 정보를 빠르게 처리하는 반면 그렇지 않은 부위의 연결은 끊어지는 ‘시냅스 가소성’이라 부르는 현상 때문이다.

사물인터넷(IoT), 엣지 컴퓨팅 등 적은 소비 전력을 필요로 하는 분야에서는 ‘시냅스 가소성’ 현상을 포함한 인간의 뇌에서 일어나는 정보 처리 과정을 모방하는 뉴로모픽 기술에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.

양희준 교수 연구팀은 멤리스터 소자를 활용해 뉴로모픽 기술을 구현할 수 있는 인공지능 센서를 연구했다.

연구팀은 두 개의 전극 사이에 황화주석 소재를 끼워 넣은 멤리스터 소자를 만들었다.

소자의 전자 구조를 정교하게 조절할 수 있는 황화주석 소재는 멤리스터 소자가 ‘시냅스 가소성’과 같은 특징을 보일 수 있도록 했다.

연구팀은 여러 글자가 섞여 있는 복잡한 환경에서 이 소자를 적용한 인공지능 센서를 한글 인식에 활용해 유용성을 검증했다. 그 결과 ‘가자’, ‘사자’ 등 간단한 한글을 91% 수준으로 인식하는 데 성공했다.

양희준 교수는 “이번 연구는 황화주석 기반 멤리스터 소자의 뉴로모픽 적용 가능성을 확인했다는 데 의미가 있다”며 “향후 5년 안에 초저전력, 초고집적 인공지능 소자를 구동할 수 있도록 관련 소재, 부품 기술 연구에 주력할 계획”이라고 말했다.

양희준 교수 연구팀의 이번 연구는 2017년 6월 삼성미래기술육성사업 지원 과제로 선정돼 지원을 받고 있다.

□ 세균 검출 시간을 기존 대비 1/12이하로 단축할 수 있는 인공 항체 개발

김종호 한양대학교 에리카(ERICA) 캠퍼스 재료화학공학과 교수 연구팀은 세균성 감염병을 신속하게 진단하고 치료할 수 있는 새로운 인공항체 기술을 개발했다.

이번 연구 결과를 담은 논문은 새로운 나노 인공항체 합성법과 진단·치료 기술에 대한 원천 연구로 인정받아 ‘다가 나노시트 인공항체를 이용한 선택적 세균 감지와 불활성화(Multivalent Nanosheet Antibody Mimics for Selective Microbial Recognition and Inactivation)’ 제목으로 지난달 23일(독일 현지시간) ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’에 게재됐다.

단백질 기반의 기존 항체는 세균을 선택적으로 인식하고 효과적으로 사멸시킬 수 있어 다양한 감염병의 진단과 치료에 사용되고 있지만, 생산에 3개월 이상 소요되고, 장기 보관 시에는 영하 20∼70도 사이의 저온 상태를 유지해야 하는 등 관리가 어렵다.

최근에는 단백질 항체의 특성을 가지면서도 빠르게 합성할 수 있고, 안정적인 상태 유지가 용이한 인공 항체에 대한 연구가 활발히 이뤄지고 있다.

김종호 교수 연구팀은 페로브스카이트^[2]를 적용한 금속 화합물 나노 시트에 펩타이드^[3]를 부착 시켜 인공 항체를 합성했고, 식중독의 원인인 대장균·살모넬라·포도상구균 등을 대상으로 실험했다.

김종호 교수가 합성한 인공 항체와 세균 결합체에 근적외선을 쬐면 결합된 부분이 진동하면서 마찰을 일으켜 70℃ 이상의 열을 발생시키고, 이 열이 세균을 사멸시킬 수 있다.

인공 항체를 활용해 세균을 사멸시키는 것은 획기적인 시도이다.

혈액, 소변 등에 포함된 세균을 검출하기 위해서는 현재 12시간 이상이 필요한 반면 이번에 개발한 인공 항체를 이용하면 세균 검출과 소멸 시간을 1시간 이내로 줄일 수 있다.

또, 김종호 교수가 합성한 인공 항체는 3일 이내에 합성할 수 있고 실온에서도 안정한 장점이 있다.

김종호 교수는 “이번 연구에 적용한 식중독 원인균 이외의 보다 다양한 종류의 감염병을 진단하고 치료에 도움을 주기 위한 연구를 지속할 예정”이라고 말했다.

김종호 교수 연구팀의 이번 연구는 2015년 9월 삼성미래기술육성사업 지원 과제로 선정돼 지원을 받고 있다.

□ 삼성미래기술육성사업, 2013년부터 1조 5천억 원 연구 지원

삼성미래기술육성사업은 우리나라의 미래를 책임지는 과학 기술 육성을 목표로 2013년부터 1조 5천억 원을 출연해 시행하고 있는 연구 지원 공익 사업이다.

삼성미래기술육성사업은 지금까지 670개 과제에 8,708억 원을 지원했다. 국제학술지에 총 2,127건의 논문이 게재됐고, 이 중 네이처(7건), 사이언스(8건), 셀(1건) 등을 포함해 최상위 국제 학술지에 소개된 논문도 186건에 달한다.

특히, 사이언스 8건 중에는 지난달 16일(미국 현지시간) 김도헌 서울대학교 물리천문학부 교수가 세계적인 석학 및 전문가 9명과 공동 작업을 통해 작성한 리뷰 논문이 포함돼 있다.

삼성미래기술육성사업 지원을 받은 ‘네이처·사이언스·셀’ 게재 연구 논문 중 리뷰 논문 게재는 처음이다.

삼성전자는 CSR 비전 ‘함께가요 미래로! Enabling People’ 아래 삼성미래기술육성사업, 협력회사 상생·물대펀드, 스마트공장, C랩 아웃사이드 등 상생 활동과 청소년 교육 사회공헌 활동을 펼치고 있다.

▲ 삼성미래기술육성사업 지원을 받아 최상위 학술지에 논문을 게재한 교수들(왼쪽부터 카이스트 양희준 교수, 한양대학교 에리카 캠퍼스 김종호 교수, 서울대학교 김도헌 교수)