GIST 윤명한 교수팀, 초박막 금속 나노시트 활용···전하 이동도 10배 향상된 소자 제작
하이브리드 신경 네트워크 가능성 제시···'사이언티픽 리포츠'에 게재 

국내 연구진이 인간 뇌 원리를 모방한 '시냅스터'를 개발했다. 

GIST(총장 문승현)는 윤명한 신소재공학부 교수팀이 극초박막 나노시트를 활용해 전하 이동도가 기존보다 10배 향상된 플렉시블 시냅스 트랜지스터(일명 시냅스터) 소자를 개발했다고 21일 밝혔다. 

전하 수송층에 사용된 유기 반도체 DNTT 의 구조(위)와 제작된 플라스틱 시냅스터의 사진(아래).<자료=GIST 제공>
전하 수송층에 사용된 유기 반도체 DNTT 의 구조(위)와 제작된 플라스틱 시냅스터의 사진(아래).<자료=GIST 제공>
인간의 두뇌가 작동하는 방식을 모방하는 뉴로모틱(neuromorphic) 시스템은 고에너지효율 컴퓨팅 응용에 크게 각광을 받고 있다. 이에 시냅스의 신호 전달 특성을 재현하는 전자소자가 필수적이다.  

최근 금속나노입자 및 유기반도체 하이브리드 채널을 활용한 시냅스터가 보고돼 관심을 끌고 있으나 나노 입자층의 표면이 거칠어 반도체의 전하수송 능력이 현저히 저하되는 문제점을 안고 있다. 

이에 연구팀은 극초박막 금속구조(금속 나노시트)를 진공증착법으로 형성한 뒤 자연 산화시켜 높은 전하 이동도가 유지됨과 동시에 우수한 단기메모리 특성을 갖는 고성능 시냅스 트랜지스터를 개발했다. 

유기반도체 재료를 유기 용매에 녹인 'DNTT'를 채택해 투명하고 유연한 플라스틱 기판 위에 소자를 제작, 기존 나노입자 소자 대비 전하 이동도 10배 향상과 구동 전압 70% 감소의 성과를 냈다. 

또 거칠기가 매우 낮고 두께가 일정한 나노시트의 특성으로 인해 성능의 균일성과 재현성이 확보돼 대면적 집적회로 적용도 가능할 전망이다. 

특히 인간의 뇌 뉴런이 생성하는 자극 신호와 유사한 전기적 스파이크(Spike)를 소자에 인가했을 때 높은 주파수에서 전류 신호가 감소하고 낮은 주파수에서 회복하는 스냅스의 단기적응효과도 성공적ㅇ로 구현했다. 

윤명한 교수는 "유기반도체의 탄소결합구조는 생물체의 기본 구성단위와 닮아있다"며 "이번 연구에서 제시한 '시냅스터'는 단순한 뉴로모픽 컴퓨팅을 뛰어넘어 생체 친화성을 갖는 유기소자와 실제 신경세포가 양방향으로 신호를 주고받는 하이브리드 신경 네트워크(hybrid neural network)의 가능성을 보여 준다"고 밝혔다. 

한편 이번 연구 결과는 융합과학 분야 국제 학술지인 '사이언티픽 리포츠(Scientific Reports)' 지난 20일자에 게재됐다.  

금속 나노시트(Al SFG)가 없는 경우(왼쪽)와 있는 경우. DNTT 결정성장에 차이가 없음을 보여주는 AFM(원자간력 현미경) 이미지.<자료=GIST 제공>
금속 나노시트(Al SFG)가 없는 경우(왼쪽)와 있는 경우. DNTT 결정성장에 차이가 없음을 보여주는 AFM(원자간력 현미경) 이미지.<자료=GIST 제공>
 
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