'인간 뇌' 모방한 고성능 시냅스터 세계 최초 개발

2016.09.22 07:56:27

▲ 전하 수송층에 사용된 유기 반도체 DNTT 의 구조(위)와 제작된 플라스틱 시냅스터(아래). 윤명한 GIST 교수팀은 극초박막 나노시트를 활용해 전하 이동도가 기존보다 10배 향상된 플렉시블 시냅스 트랜지스터(일명 시냅스터) 소자를 세계 최초로 개발했다.(지스트 제공) 2016.9.21© News1

GIST(광주과학기술원·총장 문승현) 윤명한 신소재공학부 교수팀은 극초박막 나노시트를 활용해 전하 이동도가 기존보다 10배 향상된 플렉시블 시냅스 트랜지스터(일명 시냅스터) 소자를 세계 최초로 개발했다고 21일 밝혔다.

기존 나노입자 기반 소자의 단점을 획기적으로 개선함으로써 신경세포, 즉 뉴런(Nneuron)의 단기적응효과 구현이 가능할 것으로 기대된다. 단기적응효과란 신경세포의 활성이 시간에 따라 약화되거나 강화되는 현상으로 뇌의 기억·학습 효과의 기본 메커니즘을 말한다.

연구팀에 따르면, 인간의 두뇌가 작동하는 방식을 모방하는 뉴로모픽(Neuromorphic) 시스템은 고에너지효율 컴퓨팅 응용에 크게 각광을 받고 있다. 이를 위해서는 시냅스의 신호 전달 특성을 재현하는 전자소자가 필수적이다.

최근 금속나노입자 및 유기반도체 하이브리드 채널을 활용한 시냅스터가 보고돼 큰 관심을 끌었으나 나노 입자층의 표면이 거칠어 반도체의 전하수송 능력이 현저히 저하되는 문제점이 있었다.

윤 교수 연구팀은 극초박막 금속구조인 금속 나노시트를 진공증착법으로 형성한 뒤 자연 산화시켜 높은 전하 이동도가 유지됨과 동시에 우수한 단기메모리 특성을 갖는 고성능 시냅스터를 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 도출했다.

또 거칠기가 매우 낮고 두께가 일정한 나노시트의 특성으로 인해 성능의 균일성과 재현성이 확보돼 대면적 집적회로 적용의 길도 제시했다.

특히 인간 뇌의 뉴런이 생성하는 자극 신호와 유사한 전기적 스파이크를 소자에 인가(印加)했을 때 높은 주파수에서 전류 신호가 감소하고 낮은 주파수에서 회복되는 시냅스의 단기적응효과가 성공적으로 구현됐다.

윤 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 네트워크의 가능성을 보여 준다"고 말했다.

이번 연구는 교육부가 지원하는 리서치펠로우 사업의 지원을 받아 수행됐으며, 논문은 융합과학 분야 권위지인 사이언티픽 리포츠(Scientific Reports)에 20일 게재됐다.