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신경 형태 시각 시스템(neuromorphic vision systems)은 생물체의 생존과 경쟁에서 필수적이며, 시각 정보 처리 과정에서 대뇌 시각 중추가 복잡한 행위를 실행하기 위한 판단을 하기 전에 망막은 광 자극 신호에 대한 검출을 실행하는 동시에 캡처한 영상 정보에 대해 병렬 처리를 하게 됨.

인공 시각 시스템이 직면한 도전은 이중적인데 동물 시스템의 유연성, 복잡성, 적응성을 재구축해야 하는 동시에 효율적인 계산과 간결한 방식으로 동 시스템을 실현해야 하는 상황임.

현재 인공 시각 시스템은 일반적으로 전통적인 보완형태의 금속 산화 반도체(CMOS) 혹은 전하 커플링 디바이스(CCD) 영상 센서와 실행기기 시각 알고리즘의 디지털 시스템을 연결하여 실현하게 되는데 이런 전통적인 디지털 인공 시각 시스템은 에너지 소모가 크고, 사이즈가 크고, 원가가 높은 등 단점을 보유하고 있음.

인간 시각 시스템은 수많은 시냅스(synapse)의 시신경원을 보유하고 있기 때문에 영상 정보를 탐지할 수 있는 동시에 정보를 저장하고 데이터를 처리할 수 있기 때문에 대량의 정보를 평행으로 처리할 수 있으며, 모든 시냅스(synapse) 활동에 소모되는 에너지는 1-100플라잉 줄(flying Joule, fJ)에 불과함.

따라서 영상 감측(感測), 저장과 처리 기능을 디바이스의 단일 공간에 통합시키고 연속적으로 휘도 신호(luminance signal)를 시뮬레이션 하여 실시간으로 서로 다른 유형의 시공간 계산 처리는 신경 형태 인공 시각 시스템을 실현하는 데 있어서 중요한 의미를 보유하고 있음.

신경 형태를 보유하고 있는 광전기(optoelectronic) 센서는 아날로그 전자회로를 통해 생물 시스템에서 아이디어를 받은 특수한 시각 처리 기능을 실현하였는데 이런 회로는 생물 시각 시스템 구축을 모방하는 데 적합한 것으로 나타났음.

중국과학원 금속 연구소 연구팀은 플렉시블 탄소 나노튜브-양자점 신경 형태의 인공 시각 광전기(optoelectronic) 센서를 개발하는데 성공함.

고성능 신경 형태의 시각 시스템을 개발하려면 반드시 우선 초고(超高) 응답 정도, 탐측성과 신호 소음 비(比)를 보유하고 있는 광전기(optoelectronic) 센서를 개발해야 함.

극도로 어두운 광선 조건 하에서 증강된 영상 능력을 실현하기 위해 연구팀은 1024화소의 플렉시블 광전기(optoelectronic) 센서 어레이(sensor array)를 개발하였으며, 반도체성 탄소나노튜브와 페로브스카이트 양자 점의 조합을 신경 형태 시각 시스템의 유원(有源) 민감 소재로 사용하고, 광센서, 정보 저장과 데이터 사전 처리 등 기능을 통합하여 시각 이미지 강화 학습 과정을 실현함.

이런 두 가지 유형의 소재는 모두 우수한 유연성, 안정성과 공법 호환성 등 특징을 보유하고 있는 것으로 나타났으며, 연구팀은 소재 조합을 통해 생물체 유연성, 복잡성과 적응성을 보유하고 있는 신경 형태 인공 시각 센서 개발을 위한 새로운 전략을 제공하였음.

연구팀은 이번 연구를 실행하는 과정에서 최초로 고도 집적 정도를 보유한 물리 디바이스 어레이 방식을 통해 초약(超弱) 광 펄스(1μW/cm2) 응답을 실현한 동시에 신경 형태 학습 강화 관련 사례를 완성하였음.

생물 시스템 행위와 유사하게 광전기 센서, 저장 부품과 데이터 분석 처리 등 구성 요소들은 어레이 속에서 물리적 공간을 공유하고 있는 동시에 실시간으로 정보를 병행 처리하는데 이런 결과는 생물 시각 처리를 모방하려는 인공 시각 시스템에 있어서 중요한 시사점을 제공하는 의미를 보유하고 있음.

본 연구 성과는 ‘Nature Communications’ ("A flexible ultrasensitive optoelectronic sensor array for neuromorphic vision systems")에 게재됨.