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[사이언스] 뇌 신경세포 닮은 이온-젤 인공시냅스 소자 구현

크로스바 구조의 3단자 어레이 제작, 고밀도 뉴로모픽 칩 적용 기대

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특허뉴스 염현철 기자
기사입력 2020/09/21 [16:17]

▲ 생물학적 시냅스를 모사한 수직 이온-젤 트랜지스터 소자 어레이 / (위) 인간 뇌의 신경망은 다수의 뉴런 신경세포들과 이들 사이의 신호전달을 담당하는 시냅스 신경세포들로 이루어진 복잡한 그물망 구조로 되어 있다 / (아래) 본 연구에서 이온-젤을 활용하여 생물학적 시냅스의 전기신호를 모사한 시냅스 트랜지스터를 구현하였다. 또한 서로 수직으로 교차하는 크로스바 구조의 시냅스 소자를 대면적 어레이로 확장, 인공 신경망을 구현하였다 / 사진제공 : 연세대학교 조정호 교수, 성균관대학교 박진홍 교수  © 특허뉴스

 

사진·영상 등 비정형 데이터 처리에 대한 수요가 폭증하면서 인공지능의 발전을 뒷받침할 하드웨어에 대한 연구가 활발한 가운데, 우리 뇌의 데이터처리 구조인 시냅스의 가소성(plasticity)을 모사, 뇌처럼 학습할 수 있는 뉴로모픽(neuromorphic)칩에 대한 연구가 이어지고 있다. 이는 전기적 신호의 흔적(기억)을 토대로 비정형 데이터의 패턴을 인식하고 처리할 수 있기 때문이다.

 

그 가운데 뉴로모픽칩의 집적도를 높일 크로스바 형태의 트랜지스터 소자가 소개됐다. 시냅스 전·후 단자가 만나는 교차점 하나하나가 인공 시냅스 소자로 작동할 수 있도록 한 것이다.

 

한국연구재단은 연세대학교 조정호 교수팀과 성균관대학교 박진홍 교수 연구팀이 수직 이온-젤 트랜지스터를 이용, 크로스바 배열로 확장할 수 있는 인공시냅스 소자를 구현했다고 밝혔다.

 

기존 멤리스터 소자(2단자)에 비해 트랜지스터 소자(3단자)는 정보를 읽는 단자와 쓰는 단자가 분리되어 인공 시냅스 소자 및 뉴로모픽칩 구현시 안정적인 거동을 기대할 수 있다.

하지만 단자가 더해지는 만큼 회로가 복잡해지고 부피가 커져 집적화에 불리했다. 처리속도 지연과 소모전력 증가로 이어질 수 있기 때문이다.

 

이에 연구팀은 전압으로 채널을 여닫는 게이트전극, 캐리어를 공급해 전류를 형성하는 소스전극, 전위차에 의해 캐리어가 움직이는 드레인전극 등 반도체 내에서 전압인가에 따라 전도성 채널을 형성하는 전계효과 트랜지스터(FET)의 기본구성 3개의 전극(게이트, 소스, 드레인)을 서로 교차하며 적층, 열십자()처럼 보이는 크로스바 구조로 집적화의 어려움을 극복했다. 교차점들이 저마다 하나의 소자로 기능하기에 높은 집적도를 확보할 수 있다.

 

핵심은 이온-젤을 게이트 절연체로 도입한 것이다. 이온-젤은 흐르지 않는 고체상의 전해질로 물성조절이 용이해 웨어러블 소자 등에 주목받는 소재로 기존 금속산화막 반도체 전계효과 트랜지스터 (MOSFET)에서 위치가 고정된 산화막 절연층이 전압에 의한 전기분극을 발생(전계효과)시켜 반도체를 켜고 끄는 것(게이팅)과 달리, 이온이 이동하면서 반도체의 전류량을 제어할 수 있다. 때문에 절연층을 사이에 두고 게이트 전극과 반도체가 동일선 상에 있지 않고 다소 떨어져 있더라도 이온이 이동하기에 게이팅(원거리 분극)이 가능하다. 3차원적으로 이동하면서 전도성 채널을 만드는 이온의 원거리 분극특성 덕분에 전극이 수직으로 교차, 채널이 전극에 의해 가려진 상황에서도 게이트 단자의 역할을 할 수 있도록 한 것이다.

 

신경전달물질처럼 이온-젤 내부에서 이동하는 이온의 움직임에 따라 반도체 채널의 전류량이 조절되는 원리로 시냅스의 전기화학적 특성을 모사하는 한편 집적도 향상의 실마리도 찾아낼 수 있었다.

 

대면적 용액공정이 가능한 고분자 반도체와 이온-젤을 이용하기에 인공지능을 활용한 다양한 전자기기로의 폭넓은 응용에도 유리할 것으로 기대된다. 구동전력이 낮다는 것도 장점이다.

 

이번 연구는 국제학술지 네이쳐 커뮤니케이션즈 (Nature Communications)914일 게재되었다.

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