성균관대 박진홍 교수팀, 내구성이 뛰어난 차세대 유연 시냅스 반도체 소자 개발

[에너지경제신문 송기우 에디터] 성균관대학교(총장 신동렬) 전자전기공학부 박진홍 교수(사진) 연구팀(제1저자 오세용 박사, 조정익 석박사 통합과정)이 기계적?전기적 스트레스에 내구성이 뛰어난 차세대 유연 시냅스 반도체 소자를 개발했다.

최근 사물인터넷 기술이 산업 분야뿐만 아니라 개인에게도 폭넓게 활용되면서 언제 어디서나 데이터 클라우드 네트워크에 연결할 수 있는 휴대형 스마트 전자기기에 대한 수요가 급증하고 있다. 특히 플렉서블 일렉트로닉스(Flexible Electronics)는 보편적인 적용 가능성과 기계적 유연성으로 인해 로봇 공학 및 스마트 헬스케어 시스템과 관련된 미래 기술로 주목받고 있다.

연구팀은 이온의 움직임을 통해 장?단기적 메모리 특성을 갖는 이온-젤과 비정질 산화물 반도체 박막을 활용하여 전기 신호로 내부 전도도(가중치)를 제어하는 유연 시냅스 반도체 소자를 구현하고, 합성-곱 신경망의 학습?추론 시뮬레이션과 센싱된 수화 패턴 데이터를 활용하여 센서리-뉴로모픽 시스템(sensory-neuromorphic systems)향 활용 가능성을 성공적으로 입증했다.

연구팀은 폴리이미드 소재의 유연 기판 위에 수십 나노미터 두께의 비정질 산화물 반도체 박막을 증착하여 채널로 활용하고, 비정질 산화물 반도체?이온-젤 하이브리드 구조를 형성하여 전기 펄스 신호로 제어 가능한 유연 시냅스 반도체 소자를 구현했다. 구현된 유연 시냅스 반도체 소자는 기계적?전기적 스트레스 테스트 후에도 안정적인 정적?동적 동작 특성을 나타냈다.

또한 폴리머 소재 기반의 신축성 저항 센서를 제작하여 손에 부착하고, 학습?인지를 위한 다양한 수화 신호 패턴을 측정하였다. 유연 시냅스 기반 합성-곱 신경망에서는 사전 제작된 수화 패턴에 대한 99.4%의 인지율을 확인해 제안된 기술의 센서리-뉴로모픽 시스템 향 활용 가능성을 입증하였다.

박진홍 교수는 "웨어러블 기기에 적용 가능한 유연 시냅스 모방 반도체 소자를 개발하는 연구뿐만 아니라 촉각, 시각과 같은 다양한 신호를 감지해내는 감각 센서를 뉴로모픽 시스템에 적용하는 연구를 통해 앞으로 인간의 다양한 감각 신경계를 인공적으로 구현할 수 있을 것"이라며 "이번 연구결과는 미래 인공신경망 기반 웨어러블 센서리-뉴로모픽 시스템의 발전에 크게 기여할 것으로 기대한다"고 연구 의의를 설명했다.

이 연구는 과학기술정보통신부?한국연구재단 기초연구사업(전자정보디바이스산업원천기술개발, 집단연구지원, 나노?소재기술개발, 혁신성장연계지능형반도체선도기술개발, 차세대지능형반도체기술개발사업)의 지원으로 수행되었으며, 국제학술지 사이언스 어드밴시스(Science Advances, IF 14.136) 10.29(금) Early View 논문으로 게재되었다. (논문명: Flexible artificial Si-In-Zn-O/ion gel synapse and its application to sensory-neuromorphic system for sign language translation)

▲ 비정질 산화물 반도체 및 이온-젤 기반 유연 시냅스 반도체 소자 개발 (자료=성균관대)