에너지신소재공학과

권순철 동국대 에너지신소재공학과 교수 연구팀, 저전압·고안정성 유기 뉴로모픽 소자 개발

극성 게이트-비극성 채널 간 trade-off 한계 극복… 자발적 이온 교환 기반 삼원계 박막 설계
3.5V 이하 저전압 구동, 25시간 이상 장기 기억 유지… 기존 대비 8.6배 높은 전류 유지율 달성
CNN 손글씨 이미지 분류서 98% 정확도 기록… 차세대 AI 하드웨어 신소재 분야 ‘Advanced Science’ 게재

 권순철(왼쪽) 동국대학교 에너지신소재공학과 교수, 이성민 동국대 석사과정생

차세대 인공지능(AI) 반도체 분야에서 기존 실리콘 기반 기술의 전력 소비와 집적도 한계를 뛰어넘을 혁신적인 차세대 유기 뉴로모픽 소자가 국내 연구진에 의해 개발됐다. 단일 소자 내에서 정교한 이온 이동을 제어해 저전압 환경에서도 뛰어난 안정성과 장기 기억 특성을 동시에 확보하는 데 성공했다.

동국대학교(총장 윤재웅)은 권순철 에너지신소재공학과 교수 연구팀이 두 이온성 물질 사이에서 자발적으로 발생하는 이온 교환(ion exchange) 현상을 활용해 장기 기억 특성과 구동 안정성을 대폭 향상시킨 고성능 유기 뉴로모픽 소자를 개발했다고 1일 밝혔다. 기존 실리콘 기반 CMOS 기술로 생물학적 뇌 신경망을 구현하기 위해서는 다수의 트랜지스터와 복잡한 주변 회로가 필수적이어서 고집적·저전력 뉴로모픽 시스템을 구축하는 데 한계가 존재했다. 

이를 극복할 대안으로 이온-겔 기반 유기 전기화학 트랜지스터(IG-OECT)가 주목받아 왔으나 게이트 층의 이온-겔과 채널 층 유기반도체 간의 극성 불일치로 인해 장기 구동 시 뇌 신경망 모사 능력이 저하되는 기술적 난제가 있었다. 연구팀은 고체 상태의 이온성 물질([DMIM]+[PF₆]-)과 액체 상태의 이온성 물질([EMIM]+[TFSI]-)을 유기반도체와 함께 도입한 ‘삼원계 유기 혼합 시스템’을 설계해 기존의 상분리 문제를 해결했다. 고체 이온성 물질의 긴 알킬 사슬이 반도체 박막을 안정적으로 형성하고 추가 도입된 액체 이온성 물질이 강한 이온 결합을 재구성하는 이온 교환 역할을 수행하도록 만든 것이다. 밀도범함수이론(DFT), 분자동역학 계산 분석 결과 두 이온성 물질 간의 자발적 이온 교환이 강한 이온성 응집을 완화함으로써 유기반도체와 이온성 물질이 균일하게 공존할 수 있는 박막 환경이 조성됨을 확인했다. 전자현미경 분석을 통해서도 기존 이원계 혼합 방식에서 나타나던 상분리 현상이 삼원계 혼합 전략에서는 대폭 완화된 점이 검증됐다.

이번에 개발된 삼원계 유기 뉴로모픽 소자는 −3.5V의 낮은 게이트 전압 조건에서도 매우 안정적으로 작동했다. 특히 50회의 전기적 자극을 가한 후 1500초가 지나도 초기 강화된 전류의 약 60.7%를 유지하는 우수한 성능을 보였다. 이는 약 7% 수준에 불과했던 기존 유기 뉴로모픽 소자 대비 8.6배 이상 대폭 향상된 수치다. 아울러 밀리초(ms) 단위의 짧은 자극 반응, 25시간 이상의 장기 기억 유지, 최대 50단계의 정교한 전도 상태 구현을 성공적으로 입증했다. 또한 연구팀은 실제 AI 하드웨어 적용 가능성을 다각도로 검증했다. 장기강화(LTP)와 장기억제(LTD) 특성을 이용해 인공신경망 가중치 업데이트를 구현한 결과 Hardware-aware 합성곱 신경망(CNN) 기반 손글씨 이미지(MNIST) 분류에서 약 98% 수준의 높은 인식 정확도를 기록했다.

권순철 동국대 에너지신소재공학과 교수는 “유기반도체 자체의 분자구조를 변경하지 않고도 두 이온성 물질 간 자발적 이온 교환을 활용해 내부 이온 이동과 전기화학적 도핑 환경을 정밀하게 제어했다는 점에서 학술적·기술적 의의가 크다”며 “in situ X선, Raman 분석을 통해 이온 침투에 따른 구조 변화와 polaron 형성, 장기 기억으로 이어지는 과정을 실시간 규명해 고신뢰성·저전력 유기 뉴로모픽 소자 설계를 위한 차세대 재료 전략을 제시했다”고 말했다. 한편 이번 연구는 한국에너지기술평가원(KETEP), 산업통상자원부(MOTIE), 과학기술정보통신부(MSIT), 한국연구재단(NRF)의 지원을 받아 수행됐으며 국제 학술지 ‘Advanced Science (IF = 14.1)’에 9월 8일 자로 온라인 게재됐다.

출처 : 스마트경제 복현명 기자 (http://www.dailysmart.co.kr)