극초박막 나노시트를 활용, 전하 이동도가 기존보다 10배 향상된 플렉시블 시냅스 트랜지스터(시냅스터) 소자가 세계 최초로 개발됐다. GIST(광주과학기술원, 총장 문승현)) 신소재공학부 윤명한 교수팀은 기존 나노입자 기반 소자의 단점을 획기적으로 개선하는 새로운 트랜지스터 구조를 발명해 신경세포(뉴런)의 단기적응효과를 구현하는 데 성공했다.
참고) 시냅스터(synapstor) : 생물학적 시냅스의 기능을 모방하는 트랜지스터. 단기적응효과(short-term plasticity) : 신경세포의 활성이 시간에 따라 약화되거나 강화되는 현상으로, 뇌의 기억·학습 효과의 기본 메커니즘
인간의 두뇌가 작동하는 방식을 모방하는 뉴로모픽(neuromorphic) 시스템은 고(高)에너지효율 컴퓨팅 응용에 크게 각광을 받고 있으며, 이를 위해서는 시냅스의 신호 전달 특성을 재현하는 전자소자가 필수적이다.
최근 금속나노입자/유기반도체 하이브리드 채널을 활용한 시냅스터가 보고돼 큰 관심을 끌었으나, 나노 입자층의 표면이 거칠어 반도체의 전하수송 능력이 현저히 저하되는 문제점이 있었다.
연구팀은 극초박막 금속구조(금속 나노시트)를 진공증착법으로 형성한 뒤 자연 산화시켜, 높은 전하 이동도가 유지됨과 동시에 우수한 단기메모리 특성을 갖는 고성능 시냅스 트랜지스터(시냅스터)를 개발했다.
유기반도체 DNTT를 채택하여 투명하고 유연한 플라스틱 기판 위에 소자를 제작, 기존 나노입자 소자 대비 전하 이동도 10배 향상과 구동 전압 70% 감소의 성과를 얻었으며, 또한 거칠기가 매우 낮고 두께가 일정한 나노시트의 특성으로 인해, 성능의 균일성과 재현성이 확보돼 대면적 집적회로 적용에 길을 열었다.
연구팀이 인간 뇌의 뉴런이 생성하는 자극 신호와 유사한 전기적 스파이크(spike)를 소자에 인가했을 때, 높은 주파수에서 전류 신호가 감소하고, 낮은 주파수에서 회복되는 시냅스의 단기적응효과가 성공적으로 구현되었다.
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 말했다.
한편, 이번 연구 개발은 교육부가 지원하는 리서치펠로우 사업의 지원을 받아 수행됐으며, 논문은 융합과학(multidisciplinary sciences) 분야 권위지인 사이언티픽 리포츠(Scientific Reports)에 지난 9월 20일 게재됐다.
참고) 용어해설
시냅스 트랜지스터 (Synaptic transistors) : 생물학적 시냅스의 기능을 모방·구현하는 트랜지스터. 뉴로모픽 시스템에서 하나의 신경세포와 다른 신경세포 사이의 커뮤니케이션을 담당하는 시냅스의 역할은 이(2)전극 소자인 멤리스터나 삼(3)전극 소자인 트랜지스터로 구현할 수 있다. 트랜지스터를 활용한 경우, 게이트 전압을 인가해 기판에 배열된 다수의 소자 중 원하는 소자를 간섭 없이 선택할 수 있고, 전류가 흐르는 수송 층과 기억 효과를 담당하는 메모리 층을 분리할 수 있는 장점이 있다.
금속 나노시트 (Metal nanosheet) : 나노미터 두께의 매우 균일하고 평탄한 금속 초박막 구조. 박막 소자의 전극으로 일반적으로 사용되는 금속 층에 비해 매우 얇으므로 게이트 전압에 의한 전계효과에 대해 투명성을 가져, 이를 이용해 트랜지스터의 채널을 효율적으로 변조할 수 있다.
단기적응효과 (Short-term plasticity) : 신경세포의 시냅스를 통한 뉴로트랜스미터 방출 및 회복은 일정 시간에 걸쳐 일어나기 때문에, 신경세포의 자극 빈도에 따라 신호의 강도가 실시간으로 변화하게 되며, 이것을 단기적응효과라고 한다.
