KR102198721B1 - 투명 인공 광 시냅스 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 투명 인공 광 시냅스 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 빛에 의해 전기에너지를 발생시키는 압-광전층을 포함하여 빛 및 스트레인에 의해 전기적 특성이 변화되는 피에조-포토트로닉스 효과를 통해 바이오 시냅스와 유사한 거동을 나타내는 투명 인공 광 시냅스 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Description

투명 인공 광 시냅스 및 그 제조방법{Transparent Photonic Artificial Synapse and Manufacturing Method thereof}
본 발명은 투명 인공 광 시냅스 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 빛에 의해 전기에너지를 발생시키는 압-광전층을 포함하여 빛 및 스트레인에 의해 전기적 특성이 변화되는 피에조-포토트로닉스 효과를 통해 바이오 시냅스와 유사한 거동을 나타내는 투명 인공 시냅스 및 그 제조방법에 관한 것이다.
현재 컴퓨터의 대부분은 폰 노이만 아키텍처를 기반으로 하고 있고, 이는 구조적인 수학 문제 해결을 수행하고 있다. 다만 이와 같은 아키텍처는 주로 물리적으로 분리된 프로세서 및 메모리 셀을 포함하고 있고, 이로 인해 낮은 에너지 효율을 가지고 있고. 인공지능 컴퓨팅 시스템 구현에도 불리한 문제가 있다.
따라서 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 차세대 컴퓨팅 아키텍처를 개발 할 필요가 있고, 인간의 뇌 기능을 모방하는 뉴로모픽 컴퓨팅이 새로운 아키텍처로 대두되고 있다. 이에 따라 2단자 멤리스터, 3차원 트랜지스터와 같은 인공 시냅스의 역할을 수행하는 뉴로모픽 컴퓨팅의 주요 요소들에 대한 개발이 이루어지고 있다.
일반적으로, 인공 시냅스의 반응은 3 단자 구성으로 더 변조될 수 있는 전기적 자극 및/또는 광학적 자극, 예를 들어 트랜지스터 게이트에 정전기적 바이어스를 가함으로써 일어난다. 반면, 자연계에서 가장 빈번한 자극은 기계적 자극이며 이는 시냅스 반응을 조절하는 데 중요한 역할을 수행할 수 있다. 이 때, 기계적 자극은 산화아연이나 황화카드뮴과 같은 비대칭중심 물질에 압전 효과로 인한 분극 전하를 유도할 수 있기 때문에 이를 활용할 수 있다. 이와 같은 피에조-포토트로닉스 소자는 디바이스의 성능을 향상시키기 위해 적용되고 있다. 다만 바이오 시냅스의 신경 조절 뉴로 모듈레이터와 유사한 다단계 시냅스 반응을 달성하기 위해 피에조-포토트로닉스 소자를 적용하는 연구는 거의 이루어지지 않고 있다.
또한, 광학적으로 투명한 플렉서블 디바이스가 최근 각광받고 있다. 투명하면서도 유연한 광전자 디바이스는 군사, 민간 등에서 광범위하게 적용될 수 있는 잠재력을 갖고 있다. 이와 같은 투명하면서 유연한 장치를 설계하기 위한 노력이 지속되어 왔다. 그러나 유연한 전자장치의 경우 굽힘 및 긁힘 등의 기계적 손상에 취약하여 쉽게 고장 나는 문제점이 있다.
이와 같이 투명하고 유연하면서도 견고한 피에조-포토트로닉스 소자에 대한 개발 및 피에조-포토트로닉스 소자를 이용한 인공 시냅스 장치 개발의 필요성이 대두되고 있다.
본 발명은 빛에 의해 전기에너지를 발생시키는 압-광전층을 포함하여 빛 및 스트레인에 의해 전기적 특성이 변화되는 피에조-포토트로닉스 효과를 통해 바이오 시냅스와 유사한 거동을 나타내는 투명 인공 시냅스 및 그 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 투명 인공 광 시냅스로서, 투명기판; 상기 투명기판 위에 배치되고, 은나노와이어(AgNWs)를 포함하는 전하수송층; 및 상기 전하수송층 위에 배치되어 빛에 의해 전기에너지를 발생시키고, 스트레인에 의하여 전기적 특성이 변화하는 압-광전층; 을 포함하고, 상기 투명 인공 광 시냅스는, 광 펄스를 입력신호로 하고, 광전류를 출력신호로 하고, 상기 투명 인공 광 시냅스에 가해지는 광 펄스의 조사 강도, 조사 시간 및 조사 간격 중 1 이상을 조절하여 광전류가 제어되는 투명 인공 광 시냅스를 제공한다.
본 발명에서는, 상기 투명 인공 광 시냅스는 400 내지 700nm 파장의 전자기파에서 투과율이 30% 이상일 수 있다.
본 발명에서는, 상기 압-광전층은 산화아연을 포함할 수 있다.
본 발명에서는, 상기 투명기판은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)일 수 있다.
본 발명에서는, 상기 투명 인공 광 시냅스는, 상기 투명 인공 광 시냅스에 가해지는 스트레인을 조절하여 광전류가 제어될 수 있다.
본 발명에서는, 상기 전하수송층은 스핀코팅 공정으로 형성되고, 상기 압-광전층은 원자층증착방법 공정으로 형성될 수 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 투명 인공 광 시냅스의 제조방법으로서, 판 형태의 투명기판을 세척하는 단계; 상기 투명기판의 상면에 전하수송층을 코팅하는 단계; 상기 전하수송층의 상면에 빛에 의해 전기에너지를 발생시키고, 스트레인에 의하여 전기적 특성이 변화하는 압-광전층을 증착하는 단계; 및 상기 압-광전층에서 발생되는 광전류를 출력하기 위한 전극을 형성하는 단계; 를 포함하고, 상기 전하수송층은 은나노와이어를 포함하는, 투명 인공 광 시냅스의 제조방법을 제공한다.
본 발명에서는, 상기 전하수송층을 코팅하는 단계는, 상기 투명기판의 상면에 은나노와이어를 스핀 코팅하는 단계; 및 기설정된 온도에서 어닐링 하는 단계; 를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 투명 인공 광 시냅스는 가해지는 광 펄스의 강도 및 가해지는 스트레인에 따라 멀티 레벨 광전류 출력을 나타내어 바이오 시냅스와 유사한 거동을 보여 뉴로모틱 컴퓨팅 소자로 이용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 투명 인공 광 시냅스는 가해지는 광 펄스의 강도, 지속시간, 주기 및 가해지는 스트레인에 따라 단기 가소성 및 장기 가소성과 같은 바이오 시냅스와 유사한 거동을 보여 뉴로모틱 컴퓨팅 소자로 이용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 투명 인공 광 시냅스는 가해지는 광 펄스에 따라 학습 효과를 나타내어 바이오 시냅스와 유사한 거동을 보여 뉴로모픽 컴퓨팅 소자로 이용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 인공 광 시냅스의 구조를 개략적으로 도시한다.
도 2 내지 도 6은 투명 인공 광 시냅스의 설계에 대한 사항들을 도시하는 도면이다.
다양한 실시예들 및/또는 양상들이 이제 도면들을 참조하여 개시된다. 하기 설명에서는 설명을 목적으로, 하나 이상의 양상들의 전반적 이해를 돕기 위해 다수의 구체적인 세부사항들이 개시된다. 그러나, 이러한 양상(들)은 이러한 구체적인 세부사항들 없이도 실행될 수 있다는 점 또한 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 인식될 수 있을 것이다. 이후의 기재 및 첨부된 도면들은 하나 이상의 양상들의 특정한 예시적인 양상들을 상세하게 기술한다. 하지만, 이러한 양상들은 예시적인 것이고 다양한 양상들의 원리들에서의 다양한 방법들 중 일부가 이용될 수 있으며, 기술되는 설명들은 그러한 양상들 및 그들의 균등물들을 모두 포함하고자 하는 의도이다.
본 명세서에서 사용되는 "실시예", "예", "양상", "예시" 등은 기술되는 임의의 양상 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되지 않을 수도 있다.
더불어, 용어 "또는"은 배타적 "또는"이 아니라 내포적 "또는"을 의미하는 것으로 의도된다. 즉, 달리 특정되지 않거나 문맥상 명확하지 않은 경우에, "X는 A 또는 B를 이용한다"는 자연적인 내포적 치환 중 하나를 의미하는 것으로 의도된다. 즉, X가 A를 이용하거나; X가 B를 이용하거나; 또는 X가 A 및 B 모두를 이용하는 경우, "X는A 또는 B를 이용한다"가 이들 경우들 어느 것으로도 적용될 수 있다. 또한, 본 명세서에 사용된 "및/또는"이라는 용어는 열거된 관련 아이템들 중 하나 이상의 아이템의 가능한 모든 조합을 지칭하고 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
또한, "포함한다" 및/또는 "포함하는"이라는 용어는, 해당 특징 및/또는 구성요소가 존재함을 의미하지만, 하나이상의 다른 특징, 구성요소 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 명백하게 다른 내용을 지시하지 않는 “한”과, “상기”와 같은 단수 표현들은 복수 표현들을 포함한다는 것이 이해될 수 있을 것이다.
또한, 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
또한, 본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명의 실시예들에서, 별도로 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명의 실시예에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 인공 광 시냅스의 구조를 개략적으로 도시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 투명 인공 광 시냅스는 투명기판(10); 상기 투명기판(10) 위에 배치되고, 은나노와이어(AgNWs)를 포함하는 전하수송층(20); 및 상기 전하수송층(20) 위에 배치되어 빛에 의해 전기에너지를 발생시키고, 스트레인에 의하여 전기적 특성이 변화하는 압-광전층(30); 을 포함한다.
본 발명에서는 산화아연, 황화카드뮴, 질화갈륨 등의 비대칭중심물질을 포함하여 구성되는 압-광전층은 압전효과에 의해 스트레인을 가하는 경우 분극 전하를 유도함으로써 전기적 특성이 변화하여, 광 자극에 의해 유발되는 광전류의 특성을 변화시키게 된다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 투명 인공 광 시냅스는, 광 펄스를 입력신호로 하고, 광전류를 출력신호로 하여 인공 시냅스로서의 역할을 수행할 수 있다. 이 때, 상기 투명 인공 광 시냅스에 가해지는 광 펄스의 조사 강도, 조사 시간 및 조사 간격 중 1 이상을 조절하여 광전류가 제어되어 바이오 시냅스의 기본적인 특성을 모사할 수 있고, 이와 같은 특성을 이용하여 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 인공 광 시냅스는 뉴로모픽 컴퓨팅에 적용될 수 있다.
본 발명의 투명 인공 광 시냅스의 제조방법은, 판 형태의 투명기판을 세척하는 단계; 상기 투명기판의 상면에 전하수송층을 코팅하는 단계; 상기 전하수송층의 상면에 빛에 의해 전기에너지를 발생시키고, 스트레인에 의하여 전기적 특성이 변화하는 압-광전층을 증착하는 단계; 및 상기 압-광전층에서 발생되는 광전류를 출력하기 위한 전극을 형성하는 단계; 를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 전하수송층은 은나노와이어를 포함할 수 있고, 상기 전하수송층을 코팅하는 단계는, 상기 투명기판의 상면에 은나노와이어를 스핀 코팅하는 단계; 및 기설정된 온도에서 어닐링 하는 단계; 를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 투명 인공 광 시냅스의 제조방법에서는, 투명기판인 PET 기판을 초음파를 이용하여 아세톤, 메탄올 및 탈이온수에서 순차적으로 세척하였다. 이 후, PET 기판 상에 은나노와이어용액을 1000rpm으로 스핀 코팅하고, 70℃에서 가열하였다. 상기 은나노와이어 용액을 스핀 코팅하여 생성된 전하수송층은 50nm의 두께를 가지게 되었다.
이 후, 원자층증착(ALD) 방법을 사용하여 은나노와이어/PET기판 상에 컨포멀 산화아연(ZnO) 박막을 코팅하였다. 증착은 150℃에서 수행하였다.
도 2 내지 도 6은 투명 인공 광 시냅스의 설계에 대한 사항들을 도시하는 도면이다.
바이오 시냅스는 두 뉴런 사이의 연결 채널로서 도 2의 (a)에서와 같이 전기 또는 전기화학 신호를 통해 시냅스전 뉴런으로부터 시냅스후 뉴런으로 정보를 전송한다. 시냅스의 연결 강도는 입력 자극에 의해 변할 수 있고, 이는 시냅스 가소성(Synaptic plasticity)이라 불리며 뇌의 학습, 망각 및 기억의 기능을 담당하게 된다. 도 2의 (a)에서와 같이 시냅스에 연결된 세 번째 터미널은 뉴로모듈레이터로서, 시냅스의 활동을 조절하는데 중요한 역할을 하며 정보 처리의 수준을 높이는데 도움을 준다.
본 발명의 일 실시예에 따른 투명 인공 광 시냅스가 도 2의 (b)에 도시되어 있다. 이 때 UV 펄스는 뉴런에서의 활동 전위와 같은 역할을 수행하고, 두 전극 사이의 전류가 시냅스 가소성이 된다. 본 발명의 투명 인공 광 시냅스는 장치에 가해지는 스트레인에 의해 형성되는 압전 전위를 이용하게 된다. 이에 따라 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 인공 광 시냅스는 종래의 인공시냅스와 달리 도 2의 (c) 및 (d)에 도시된 바와 같이 시냅스의 가중치 또는 시냅스 가소성을 제어할 수 있게 된다. 본 발명의 투명 인공 광 시냅스에 가해지는 스트레인은 시냅스 가소성의 제어를 수행하는 뉴로모듈레이터의 역할과 유사하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 투명 인공 광 시냅스를 제작하기 위해 은나노와이어(AgNW) 용액을 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 기판 상에 1000rpm으로 스핀 코팅하고 70℃에서 가열하여 열처리를 수행하였다. 이 후 원자층증착방법(Atomic Layer Deposition, ALD)을 사용하여 은나노와이어 / PET 상에 컨포멀 ZnO 박막을 코팅하였다.
도 3의 (a)를 참조하면 산화아연(ZnO)으로 코팅된 은나노와이어의 틸티드 뷰-주사 전자 현미경(SEM) 이미지를 확인할 수 있다. 원자층증착방법을 통해 산화아연의 박막이 은나노와이어 네트워크를 균등하게 코팅한 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 3의 (a)의 우측 하단에는 단일 은나노와이어에 대한 산화아연층의 입자 성장이 주사 전자 현미경 이미지의 확대도가 도시되어 있다. 확대도를 참조하면 특히 은나노와이어 상에 형성된 산화아연 나노스케일 밀집 조직을 확인할 수 있다.
또한 도 3의 (a)에는 산화아연 / 은나노와이어 / PET로 구성된 투명 인공 광 시냅스의 에너지 분산형 X-선 분광법(EDS) 스펙트럼이 도시되어 있다. 0.5keV, 1.02keV 및 2.9keV에서 나타난 피크는 각각 산소(O), 아연(Zn) 및 은(Ag) 원소의 존재를 나타낸다.
또한, 산화아연 / 은나노와이어 에 걸친 은(Ag), 아연(Zn) 및 산소(O2)의 각각의 원소 분포가 각각 도 3의 (b) 내지 (e)에 도시되어있다.
도 3의 (f)에 도시된 광 측정 결과를 참조하면 376nm 부근에서 광 흡수가 빠르게 증가하는데, 이는 산화아연의 밴드 갭이 3.34eV에 가까워졌음을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 인공 광 시냅스는 전체 가시광 범위 (400nm ≤ λ ≤ 700nm)에서 75 % 이상의 투과율을 나타내므로, 가시광 외의 광전자에 적용하기에 적합하다. 또한, 투과율은 산화아연의 기본 흡수 엣지로 인해 λ = 376nm 근처에서 급격히 감소한다. 도 3의 (f)에 삽입된 이미지는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 인공 광 시냅스의 사진이다.
도 3의 (g)에는 장치의 광휘도(PL) 스펙트럼을 측정하여 도시하였다. UV 영역의 피크(360-400nm)는 산화아연의 기본 자유 여기 방출에 해당한다. 일반적으로, 산화아연의 방출 스펙트럼은 근접 밴드 엣지(NBE)에서 녹색 방출에 이르는 넓은 분포 형태를 가질 수 있으며 10 개의 구별되는 피크에 의해 분해 될 수 있다. NBE 피크는 약 378nm에 위치하며 자유 여기(FX) 재조합 프로세스에 의해 발생한다. 388nm에서의 피크는 FX의 첫 번째 longitudinal 포논 레플리카(replica)에 기인한다. 또한, 405nm에서의 피크는 단일 이온화 된 아연 빈자리(VZn)로부터 유래된다. 이와 유사하게 산소 빈자리와 같은 다른 빈자리 들이 가시광 영역에서 다른 피크를 만들어 낸다. 반면, 460-600nm에서 나타나는 넓은 피크는 결함에 관련된 가시광 방출에 기인하며, 이는 대부분 산소 관련 결함에 기인한다. 이러한 결함은 산화아연의 광전자 특성에서 결정적인 역할을 하는 것으로 알려져 있다.
도 4의 (a)에는 외부 스트레인 없는 시냅스 장치의 일반적인 전류-전압(I-V) 특성을 0.02V/s의 스캔 속도로 -1V ~ +1V의 전압 범위에서 측정한 결과가 도시되어 있다. 어두운 상태에서 전류는 가해지는 전압의 변화에 따라 선형적으로 증가하고 급격한 변화가 나타나지 않는다. 반면, 도 4의 (a)에서 녹색으로 표시된 것과 같은 연속 UV 조명(λ = 365nm, 4mW/cm2)하에서는 반복 전압 사이클에서 명백한 상향 이동이 나타났다. 이는 본 발명의 투명 인공 광 시냅스를 전류 레벨을 달리 하는 많은 '온 상태'로 조절할 수 있음을 나타낸다. 간단히 말해서 투명 인공 광 시냅스는 일반적인 스위칭 모드에서 하나의 '온 상태' 이상으로 많은 신호(이산 전류 레벨)를 코딩 할 수 있다. UV는 산화아연 내에서 전자-정공(e-h)쌍을 생성하여 특정 전압에서 전류가 증가하게 된다.
반면, UV가 꺼지게 되면 도 3의 (a)에서 분홍색으로 표시된 것과 같이 I-V 사이클이 진행될수록 전류가 점차적으로 감소하여 어두운 상태와 같이 돌아가게 된다. 이 때 단기 기억 및 장기 기억과 같은 바이오 시냅스의 기능을 모방하기 위해서는 조금 더 긴 시간이 필요하다.
도 4의 (b)는 압축 변형(+0.6%)하에서 어두운 조건 및 UV 조명(λ = 365nm, 4mW/cm2)하의 I-V 특성을 도시하고 있다. 압축 변형이 없을 때와 유사하게 UV 조명하에서는 녹색으로 표시된 것과 같이 I-V 사이클의 반복에 따라 전류가 증가하고, UV 조명을 끈 후에는 분홍색으로 표시된 것과 같이 전류가 감소하여 어두운 조건의 전류레벨로 돌아가게 된다. 다만, 압축 변형을 가하는 경우 유사한 측정 조건(예를 들어 +1V, 조명 시간, 조명 강도 등)에서 광전류의 크기가 약 64μA로, 변형을 가하지 않은 경우의 광전류 약 21μA에 비해 상당히 높음을 확인할 수 있다.
시냅스 장치에 가해지는 변형률(ε)은 PET 기판의 국부 굽힘 반경(R) 및 두께(D)로부터 다음 식과 같이 계산한다. ε = ±D/2R
또한, 도 4의 (c)에 도시된 것과 같이, -0.6%의 인장변형 하에서는 +1V에서 약 1.6μA의 광전류가 최대값으로 나타났다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 인공 광 시냅스는 외부 변형에 의해 광전 특성이 크게 변할 수 있음을 알 수 있다.
도 4의 (d)에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 인공 광 시냅스의 광전류의 동적 거동 및 가해지는 변형에 의한 변조를 상이한 인가 전압(예를 들면 0.2, 0.4 및 0.6V)에서 측정하여 도시한다. 도 4의 (d)에는 변형 없이 단일 UV 펄스 하에서의 과도 광응답(Ip-t)을 도시한다.
UV 펄스가 가해지는 경우 광전류는 빠르게 증가하여 약 4.1μA에 도달하게 되고, 이는 e-h쌍이 생성되었음을 나타낸다. 다만, UV가 꺼진 이후 전류는 서서히 감소하게 되고 이는 재결합 과정에 있음을 나타낸다. 이와 같은 결과는 단일 UV 펄스가 고정 전압에서 투명 인공 광 시냅스의 전류 레벨을 변경하기 충분함을 알 수 있다.
UV가 꺼진 이후 광전류가 서서히 감소하는 것은 산화아연 및/또는 산화아연과 공기의 접촉면의 산소 빈자리에 광생성 된 전자가 포획되기 때문이다. UV펄스에 의해 e-h쌍이 생성되고, 이 중 정공은 2h+ + O2-(ad) = O2(g) 반응에 따라 표면에서 화학적으로 흡착된 산소와 반응하여 산화아연에 전자가 남아있게 된다. 이와 같은 잉여 전자는 투명 인공 광 시냅스의 전도성을 증가시켜 도 4의 (d) 내지 (f)에 도시된 바와 같이 전류의 변화를 야기한다.
또한, 가해지는 인장변형의 영향으로 표면 근처에서 양전하가 생성되고, 이는 광생성 된 정공이 표면으로 향하는 것을 감소시킴으로써 광전류의 생성을 감소시키게 된다.
한편 압축 변형은 표면에서 음전하를 발생시켜 광전류 생성을 향상시킨다. 실제로 가해지는 변형은 분극 전하를 유도하여 표면 근처의 밴드 정렬의 변화뿐만 아니라 산소의 흡수 및 방출 과정을 조절함으로써 광전자 거동을 초래하게 된다.
압축 변형(+0.6%) 하에서 광전류는 단일 UV 펄스에서 최대 6.6μA까지 향상되지만, 대조적으로 인장 변형(-0.6%) 하에서는 광전류가 크게 변하지 않았으며, 도 4의 (f)에 도시된 바와 같이 최대 0.8μA에 그쳤다.
최대 광전류는 무부하, 압축변형 및 인장변형 조건 하에서 각각 4.1μA, 6.6μA 및 0.8μA로 나타났다. 이와 같은 결과는 가해지는 변형률 또는 전압을 변화시킴으로써 단일 시냅스에서 멀티레벨 광전류 변조를 수행할 수 있음을 나타낸다.
한편, 은나노와이어(AgNW)층이 없이 산화아연층만을 포함하는 장치의 경우 스트레인을 변화시키는 경우에도 본 발명에서와 같은 광응답을 나타내지 않았다. 실제로 산화아연층/PET층을 포함하는 장치는 변형을 가하는 경우 I-V 특성에 변화가 있기는 하지만 효율적이지 않았다. 이는 상기 은나노와이어층이 본 발명의 인공 광 시냅스의 동작에 중요한 역할을 수행함을 나타낸다. UV 조명에 의해 산화아연층 내에서는 자유전자 밀도가 증가하게 된다. 이와 같이 증가한 전자는 은나노와이어를 통해 빠르게 전달됨으로써 효율적으로 전극으로 수집되고 이는 투명 인공 광 시냅스의 성능을 향상시키게 된다. 따라서 잘 연결된 은나노와이어 네트워크를 구성하여 효과적으로 전하 수집 경로를 제공할 필요가 있다.
또한, 쇼트키접합을 형성함으로써 장벽 높이를 조절하여 투명 인공 광 시냅스의 피에조-포토트로닉스 효과를 높일 수 있다. 은 박막과 은나노와이어의 일함수는 각각 4.26eV 및 4.57eV로 다르게 나타나기 때문에 적절한 은박막의 두께를 조절함으로써 강한 쇼트키접합을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 투명 인공 광 시냅스의 광전류는 UV펄스에 의해 증가하고 펄스가 종료된 뒤 서서히 감소하게 되며, 이는 바이오 시냅스의 신호와 유사하다. 따라서 본 발명의 투명 인공 광 시냅스는 인공 시냅스로의 역할을 수행할 수 있다. 바이오 시냅스의 중요한 특징은 시냅스의 가중치를 제어하고 유지하는 것(가소성)이며, 잔류 시간에 따라 두 가지 형태, 즉 단기 가소성(Short-term Plasticity, STP) 및 장기 가소성(Long-term Plasticity, LTP)로 분류된다. STP 및 LTP는 각각 시냅스의 가중치의 변화가 수 밀리초에서 수 초간 유지 되는 것과 수 초에서 수 년간 유지 되는 것에 각각 대응된다.
가소성을 실현하기 위해 시간에 따른 광전류의 응답은 +1V에서 1 ~ 5mW/cm2까지의 다양한 강도의 연속적인 광 입력 스파이크(지속시간 Δd: 1s, 주기 Δt: 30s)에 대해 기록되었고, 광 펄스 이후 회복 곡선을 기록하였다. 이와 같은 광전류 응답이 도 5의 (a)에 도시되어 있다. 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이 광전류의 크기, 즉 시냅스 가중치는 초기에 매우 빠르게 증가한 후 서서히 감소하며, 이는 실제로 인간의 기억과 유사한 거동을 보인다. 다만 광전류의 크기는 가해지는 변형률 및 광 강도에 의해 크게 좌우된다.
이 때, 광전류는 1mW/cm2의 강도에서 10초의 짧은 시간 내에 초기 상태로 복귀했고, 이는 전형적인 인간 뇌에서의 기억 삭제 거동과 유사하다. 또한, 2 ~ 3mW/cm2의 강도에서 광전류는 초기 상태로 복귀하지 않았지만, 단기 가소성과 유사하게 다른 레벨을 유지하게 되었고, 이는 압축 변형(+0.6%)을 가하는 경우 더욱 명확히 나타났다.
만약 단기 가소성 및 장기 가소성의 전환 임계 시간 및 광전류를 도 5의 (a)에서 파란 점선으로 표시한 것과 같이 각각 30초 및 4.5μA로 각각 설정한 경우, 단기 가소성에서 장기 가소성으로의 전환은 높은 펄스 강도(4mW/cm2, Δd: 1 초) 및 +0.6%의 압축 변형에서만 나타났고, 변형을 가하지 않았거나, 인장 변형을 가한 경우에는 단기 가소성만이 나타났다. 4mW/cm2의 높은 강도를 갖는 펄스는 무부하, 압축변형 및 인장변형 조건에서 도 5의 (a)에 위에서부터 아래로 도시된 것과 같이 각각 2.33μA, 4.92μA 및 0.87μA의 광전류를 유도하였다.
이와 같은 결과는 단기 가소성에서 장기 가소성으로의 전환이 투명 인공 광 시냅스에 가해지는 스트레인을 조절함으로써 제어될 수 있음을 나타낸다. 또한, 광전류의 시간에 따른 프로파일을 통해 가해지는 스트레인을 변조함으로써 기억 삭제에 걸리는 기간을 제어할 수 있음을 확인할 수 있다.
한편, 다른 주기(Δt)를 갖는 광 펄스(4mW/cm2 Δd: 1s)를 이용하여 페어-펄스 촉진(PPF) 및 페어-펄스 억제(PPD)와 같은 다른 시냅스 거동을 확인하였다. 도 5의 (b)를 참조하면 첫 번째 UV 펄스(Δt: 10s)에 의한 광전류는 0.67μA로 나타났고, 이는 세 번째 UV 펄스에서는 이보다 약간 증가한 1.02μA로 나타났다. 이는 도 5의 (b)에 녹색 화살표로 표시되어 있다. 한편, PPF를 나타내는 짧은 주기(Δt: 1s)를 갖는 14번의 펄스에서 광전류는 급격하게 증가하여 2.86μA에 도달하였고 이는 적색 화살표로 표시되어 있다. 한편 PPD를 나타내는 긴 주기(Δt: 10s)를 갖는 펄스에서 광전류가 감소(억제)된다. 따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 인공 광 시냅스는 광 펄스의 주기를 조절함으로써 생체 신경망에서의 촉진(PPF) - 억제(PPD)의 전환을 모방할 수 있다. 이와 같은 메커니즘은 광유도 e-h쌍의 생성 및 트래핑에 기초하여 설명할 수 있다. 실제로 포획된 전자는 긴 주기 동안 부분적으로 재결합되고, 이에 따라 결과적으로 도 5의 (b)의 화살표 (1)에서와 같이 초기 레벨에 가까워진다. 반면 짧은 주기에서는 e-h쌍의 생성이 재결합에 비해 지배적으로 나타나기 때문에 광전류가 빠르게 증가하게 된다.
한편, 바이오 시스템의 시냅스 반응은 스파이크 주기에 크게 좌우되기 때문에 본 발명에서는 가소성 거동과 가해지는 스트레인의 변조에 있어서 스파이크 주기(Δt)의 역할을 확인하였다. 도 5의 (c)를 참조하면 광전류는 펄스 수를 증가시키게 되면 증가하고, 무부하 조건에서 3 개의 연속된 펄스(Δd: 1s 및 Δt: 10s)에 의해 약 1.39μA까지 도달하게 된다. 이는 도 5의 (c)에 보라색으로 표시되어 있다.
동일한 UV 강도 및 지속시간(Δd: 1s)에서 주기를 변경하게 되면 광전류가 변하게 된다. 도 5의 (c)에 검은색으로 표시된 것과 같이 1초의 주기에서는 약 2.8 μA의 높은 광전류를 나타낸다.
또한, 광전류를 조절하기 위하여 변형을 가할 수도 있다. 동일한 UV 조건(4mW/cm2, Δd: 1s)에서 압축 변형 조건 하에서는 도 5의 (d)에 검은색으로 표시된 것과 같이 광전류가 5.8μA로 상당히 향상되었고, 인장 조건 하에서는 도 5의 (e)에 검은색으로 표시된 것과 같이 1.7μA로 억제되었다.
이와 같이 학습 과정(최대광전류)이 가해지는 변형률에 의해 조절 될 수 있음을 확인했으며, 각각의 변형 조건 하에서 회복 곡선(망각 행동)은 다르게 나타나고, 도 5의 (c), (d) 및 (e)에 각각 도시된 바와 같이 자극 이후 160초 후에도 서로 다른 수준으로 회복되는 것을 확인할 수 있다.
이와 같은 결과는 인간의 일상 생활에서의 리허설과 유사한 UV 펄스 자극을 반복함으로써 STM에서 LTM으로의 전환이 실현 될 수 있음을 나타낸다. 이와 같은 거동의 원인은 e-h 쌍이 첫 번째 UV 펄스로 생성 되었으나 그 중 일부는 다음 펄스를 트리거 하기 전에 트랩 된 상태로 유지되었기 때문이다. 결과적으로 UV 펄스의 수는 광생성 된 캐리어의 생성 및 재조합의 균형을 통해 광전류의 레벨을 연속적으로 변경하고, 이는 특히 특히 짧은 지속시간을 갖는 펄스에서 더욱 중요하게 나타난다.
한편, PPF는 두 번째 스파이크가 이전의 스파이크와 근접한 경우 시냅스후 뉴런에서의 반응이 발생하는 현상이다. 수학적으로 PPF 지수는 하기 식과 같이 정의된다.
Figure 112020063486069-pat00001
여기서 A1 및 A2는 각각 시냅스후 뉴런에서의 첫 번째 전류 및 두 번째 전류의 크기이다. 이 때, PPF 비율은 가해지는 변형에 따라 달라지며 도 5의 (f)를 참조하면 무부하, 압축 변형(+ 0.6 %) 및 인장 변형(-0.6 %) 조건하에서 각각 165, 210 및 155 인 것으로 나타났다. 또한 PPF 지수는 UV 펄스 지속 시간이 증가함에 따라 점차 감소한다.
감쇠 거동은 다음과 같이 두 가지 감쇠 시간 상수를 통해 나타낼 수 있다.
Figure 112020063486069-pat00002
여기서 C1과 C2는 피팅 파라미터이고 τ1과 τ2은 특성 붕괴 시간 상수이다. PPF의 감쇠 거동은 바이오 시냅스와 유사한 거동을 따르며, 이는 본 발명의 투명 인공 광 시냅스 생체 기능을 모방 할 수 있음을 나타낸다.
STDP(Spike Time Dependent Plasticity)의 변화에 의해 정의 되는 시냅스전과 시냅스후 사이의 상호 결합 활동은 그들 사이의 상대적인 타이밍으로 인한 시냅스 가중치의 변화에 의해 측정된다. 시냅스전 뉴런 및 시냅스후 뉴런 사이의 시냅스 무게의 STDP- 유도 변화(ΔS)는 다음과 같이 계산 될 수 있다.
Figure 112020063486069-pat00003
여기서, IPre 및 IPost는 시냅스전 및 시냅스후에 각각 생성된 광전류이다. 본 발명의 투명 인공 광 시냅스로부터 STDP를 모방하기 위해 2 개의 장치를 준비하였다. 이 경우, 첫 번째 및 두 번째의 광 펄스는 지정된 시간 간격(Δt)을 갖는 시냅스 장치 전후에 해당한다. 측정된 광전류는 도 5의 (g)에 도시되어있다. 두 번째 광전류는 항상 첫 번째 UV 스파이크에 의해 유발된 광전류보다 크다. 여기서 중요한 점은 0.5 내지 10 초의 Δt는 바이오 시냅스의 Δt(0.1-1ms)와 차이가 있다는 점이다. 다만 본 발명의 투명 인공 광 시냅스는 모든 시냅스 기능을 모방하여 '생물학'을 넘어 뉴로모픽 디바이스를 개발할 수 있도록 한다. 실제로, 이러한 결과는 적용된 스트레인 및 조명 강도, 펄스 지속 시간 등의 조합으로 단일 시냅스 장치로부터의 멀티 레벨 시냅스 응답이 달성 될 수 있음을 확인한다. 단일 펄스에 대한 에너지 소비 E는 I x V x Δd로 계산되며, 여기서 I는 측정 된 전류이고 V는 적용된 펄스 전압이다. E는 1초의 Δd에 대해 약 4μJ로 나타나며, 이는 Δd를 감소시킴으로써 추가로 낮출 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에서는 장치 면적이 비교적 큰 인공 광 시냅스를 사용하였기 때문에(약 0.6cm2) 서브 마이크로 미터 이하로 장치를 축소하면 에너지 소비를 스파이크 당 수십 나노 줄로 줄일 수 있다.
한편, 도 5의 (h)에는 다른 스트레인 조건(무부하, 압축변형 및 인장변형) 하에서 도출된 STDP 값이 도시되어 있다.
도 6에 도시된 것과 같은 파블로프 학습 조건과 같은 광 펄스에 의한 반응의 강화를 모방하기 위해 압축 변형이 필요하다. 타액 분비의 임계 광전류를 도 6의 적색 점선과 같이 약 0.5μA로 설정하고, 1V에서 UV 자극 후 150초간 측정을 수행 하였다.
첫 번째 단계에서, 투명 인공 광 시냅스에 벨을 울리는 것에 상응하는 3 개의 광 펄스(4mW/cm2, Δd: 1s, Δt: 10s)를 조사하였다. 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 이 때의 광전류 레벨은 약 0.19μA 이고, 이는 임계 광전류보다 낮고 타액이 분비되지 않음을 나타낸다.
다음 단계에서 음식에 상응하는 무 조건의 12 개의 광 펄스는 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이 약 0.64 μA의 광전류 레벨을 나타내 타액 분비를 활성화 시켰다.
한편 동시에 3 개의 광 펄스(Δd: 1s, Δt: 10s)와 12 개의 광 펄스(Δd: 1s, Δt; 1s)는 광 반응을 향상시켜 도 6의 (c)와 같이 임계값 보다 높은 약 2.39 μA의 광전류를 보이고, 긴 머무름이 나타난다. 이는 UV 조명이 이는 조명 시간에 전적으로 의존하는 e-h 쌍을 생성하기 때문이다. 따라서 훈련 후 150 초 이후의 광전류 레벨이 더 높게 유지되므로 벨을 울리는 것에 상응하는 다음 3 개의 UV 펄스가 조사 될 때 광전류가 임계 값 아래로 떨어지지 않는다. 즉, 본 발명의 투명 인공 광 시냅스는 순전히 광 펄스에 기초한 학습 조건으로 고전 파블로프 학습을 모방 할 수 있는 것이다.
즉 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 인공 광 시냅스는 가해지는 변형을 조절함으로써 응답을 멀티 레벨로 반응을 조절할 수 있다. 이와 같은 투명 인공 광 시냅스는 다용도 메모리 기능을 포함하여 단기 가소성 및 장기 가소성, 페어-펄스 촉진 및 스파이크 타이밍 종속 소성 등 시냅스로서 필요한 기능을 모두 나타내었다. 이와 같은 결과는 광유도 e-h 쌍 생성 및 산소 빈자리와 같은 결함 상태를 통한 동적 트래핑 및 디트래핑에 의해 설명할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 투명 인공 광 시냅스는 간단한 ZnO / 은나노와이어 / PET 의 구성을 취함으로써 복잡한 3 차원 제작 과정 없이도 제조할 수 있다. 이와 같은 투명 인공 광 시냅스는 새로운 웨어러블 뉴로모픽 컴퓨팅을 제어하고 설계 할 수 있도록 할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 인공 광 시냅스의 제조방법에 대하여 설명하도록 한다.
우선 투명기판으로서 PET 기판을 아세톤, 메탄올 및 탈 이온수 (DI)에서 초음파로 순차적으로 세정하였다.
이후, 질소 기체를 사용하여 50 sccm의 유량으로 전구체를 수송하였고, 이와 같은 질소 기체는 도징 펄스 사이에 챔버를 퍼지 하기 위하여도 사용되었다. 플러싱 시간은 DEZ 및 H2O 모두에서 10초였다.
압-광전층의 증착은 150 ℃에서 수행되었다. 증착 사이클은 200회 반복되었고, 그 결과 50-nm 두께의 압-광전층이 생성되었다.
폭 약 3 mm, 길이 약 10 mm 인 평면 AgNW 전극을 스핀 코팅 하였다. 전극 분리는 5 mm로 고정되었다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 투명 인공 광 시냅스는 가해지는 광 펄스의 강도 및 가해지는 스트레인에 따라 멀티 레벨 광전류 출력을 나타내어 바이오 시냅스와 유사한 거동을 보여 뉴로모틱 컴퓨팅 소자로 이용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 투명 인공 광 시냅스는 가해지는 광 펄스의 강도, 지속시간, 주기 및 가해지는 스트레인에 따라 단기 가소성 및 장기 가소성과 같은 바이오 시냅스와 유사한 거동을 보여 뉴로모틱 컴퓨팅 소자로 이용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 투명 인공 광 시냅스는 가해지는 광 펄스에 따라 학습 효과를 나타내어 바이오 시냅스와 유사한 거동을 보여 뉴로모픽 컴퓨팅 소자로 이용될 수 있다.
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다

Claims (8)

  1. 투명 인공 광 시냅스로서,
    투명기판;
    상기 투명기판 위에 배치되고, 은나노와이어(AgNWs)를 포함하는 전하수송층;
    상기 전하수송층 위에 배치되어 빛에 의해 전기에너지를 발생시키고, 스트레인에 의하여 전기적 특성이 변화하는 압-광전층; 및
    상기 압-광전층에서 발생되는 광전류를 출력하기 위해 상기 압-광전층 위에 서로 이격 되어 배치된 한 쌍의 전극; 을 포함하고,
    상기 투명 인공 광 시냅스는,
    광 펄스를 입력신호로 하고, 광전류를 출력신호로 하고,
    상기 투명 인공 광 시냅스에 가해지는 광 펄스의 조사 강도, 조사 시간 및 조사 간격 중 1 이상을 조절하여 광전류가 제어되고,
    상기 투명 인공 광 시냅스에 가해지는 스트레인을 조절하여 광전류가 제어되는 투명 인공 광 시냅스.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 투명 인공 광 시냅스는 400 내지 700nm 파장의 전자기파에서 투과율이 30% 이상인, 투명 인공 광 시냅스.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 압-광전층은 산화아연을 포함하는, 투명 인공 광 시냅스.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 투명기판은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)인, 투명 인공 광 시냅스.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 전하수송층은 스핀코팅 공정으로 형성되고,
    상기 압-광전층은 원자층증착방법 공정으로 형성되는, 투명 인공 광 시냅스.
  7. 투명 인공 광 시냅스의 제조방법으로서,
    판 형태의 투명기판을 세척하는 단계;
    상기 투명기판의 상면에 전하수송층을 코팅하는 단계;
    상기 전하수송층의 상면에 빛에 의해 전기에너지를 발생시키고, 스트레인에 의하여 전기적 특성이 변화하는 압-광전층을 증착하는 단계; 및
    상기 압-광전층에서 발생되는 광전류를 출력하기 위해 상기 압-광전층 위에 서로 이격 되어 배치된 한 쌍의 전극을 형성하는 단계; 를 포함하고,
    상기 전하수송층은 은나노와이어를 포함하고,
    상기 투명 인공 광 시냅스에 가해지는 스트레인을 조절하여 광전류가 제어되는, 투명 인공 광 시냅스의 제조방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 전하수송층을 코팅하는 단계는,
    상기 투명기판의 상면에 은나노와이어를 스핀 코팅하는 단계; 및
    기설정된 온도에서 어닐링 하는 단계; 를 포함하는, 피에조-포토트로닉스 소자의 제조방법.
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KR1020200075199A KR102198721B1 (ko) 2020-06-19 2020-06-19 투명 인공 광 시냅스 및 그 제조방법

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RU2788438C1 (ru) * 2021-11-15 2023-01-19 Федеральное государственное учреждение "Федеральный научно-исследовательский центр "Кристаллография и фотоника" Российской академии наук" Оптический синапс

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