KR20190136402A - 인공 시냅스 소자를 포함하는 인공 신경계 장치 - Google Patents
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Abstract
인공 시냅스 소자를 포함하는 인공 신경계 장치가 개시된다. 이는 시냅스 전 신호가 입력되면 입력된 시냅스 전 신호에 따른 시냅스 후 신호를 출력하는 적어도 하나의 인공 시냅스 소자를 포함하고, 인공 센서 또는 생체 기관으로부터의 입력 신호에 상응하는 신호를 운동 기관 또는 생체 기관으로 출력한다. 다양한 센서를 인공 센서로 적용하여 다양한 인공 신경계 장치를 구성할 수 있으며, 이러한 인공 신경계 장치는 생체 기관을 모사한 인공 장치 또는 생체와 결합된 신경계 장치로 활용될 수 있다.
Description
본 발명은 인공 신경계 장치 분야에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 인공 시냅스 소자를 이용한 다양한 인공 신경계 장치에 관한 것이다.
기존의 폰 노이만 방식의 컴퓨팅은 중앙연산장치와 메모리를 이용하여 내부 클록에 따라 중앙 집중적, 직렬적, 순차적 계산을 한다. 그에 반해 생물학적 신경계는 분산적, 병렬적, 사건 중심의 계산을 한다. 그래서 기존의 폰 뉴만 컴퓨터는 이상적이고 제한적으로 잘 정의된 문제를 빠르고 오류 없이 계산한다. 그런 반면 생물학적 신경계는 애매하고 복잡한 실생활 문제(가령, 영상 정보 처리, 음성 처리, 움직임 조절)를 비교적 작고 에너지 소모가 적은 시스템으로 잘 처리한다.
생물학적 신경계는 뉴런과 시냅스로 이루어져 있으며 외부의 자극을 처리하고 운동을 조절한다. 이 때 시냅스의 가소성은 학습을 가능하게 하여 복잡한 문제를 처리할 수 있게 한다. 생물학적 신경계의 학습 가능성은 과학자와 공학자에게 영감을 주어 기계 학습과 딥러닝의 발달에 영향을 주었다. 기계 학습과 딥러닝의 발달은 실생활의 복잡한 문제에 있어서도 기계가 사람을 능가할 수 있게 하는 발판이 되었다.
하지만 기존의 기계 학습 연구는 전통적인 폰 뉴만 방식의 디지털 컴퓨터를 이용하고 소프트웨어 연구에 치중되어 있었다. 전통적인 폰 뉴만 방식의 디지털 컴퓨터는 기계 학습을 위해 디자인 되지 않아 에너지 소모에 있어 비효율적이었다. 기계 학습을 위해 생물학적 신경계를 모사한 하드웨어의 연구도 있었지만, 딱딱한 실리콘 소자에 집중되어 있었다. 실리콘 소자를 이용하여 생물학적 시냅스를 모방하려면 비교적 복잡한 회로를 구성해야 하는 한계가 있었다. 예를 들어, 시냅스 하나를 모방하기 위해 다수의 트랜지스터와 축전기가 필요하였다.
기존의 딱딱한 소재로 만들어진 장치들은 부드러운 피부로 덮힌 동물 혹은 인간을 모사하는 로봇을 만들거나 착용감이 편리한 보철을 만드는데 한계가 있었다. 또한 기존의 디지털 방식으로 설계된 하드웨어는 생체 기관과 호환성이 없어 생체 기관과 직접적으로 연결할 수 없고 변환 소자가 항상 필요하였다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 감안한 것으로서, 생물학적 신경계를 모사하는 인공 시냅스 소자를 이용하여 외부 자극이나 생체 신호를 받아들여 처리하고 운동기관 혹은 생체 기관에 신호를 전달하는 인공 신경계 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 생물학적 신경계를 모사하는 적어도 하나의 인공 시냅스 소자를 포함하는 인공 신경계 장치를 제공한다.
인공 신경계 장치는 감각 신경계 장치와 운동 신경계 장치를 포함하며, 감각 신경계 장치는 인공 감각기관과 생체 기관을 포함할 수 있고, 운동 신경계 장치는 인공 운동기관과 생체 기관을 포함할 수 있다.
적어도 하나의 인공 시냅스 소자의 각각은 기판과 기판 상에 형성되는 활성물질과 상기 활성물질에 전기적으로 연결된 2단자 이상의 전극을 가진다. 적어도 하나의 인공 시냅스 소자는 시냅스 전 신호를 입력 받아 시냅스 후 신호로 출력하며, 적어도 하나의 인공 센서나 생체 기관으로부터 온 감각 신호를 처리하여 적어도 하나의 인공 운동 기관이나 생체 기관을 조절하고 자극하는 역할을 한다.
외부의 자극은 인체의 감각기관 및 피부를 모사한 적어도 하나의 인공 센서 혹은 생체 기관에 의해 받아들여진다. 적어도 하나의 인공 센서 혹은 생체 기관로부터 출력되는 화학적 혹은 전기적 신호는 직접적으로 적어도 하나의 인공 시냅스 소자에 입력되거나 신호를 인공 활동전위로 변환하는 제1 또는 제2 인공 뉴런 소자를 거쳐서 적어도 하나의 인공 시냅스 소자에 입력될 수 있다.
외부 자극을 감지하기 위한 적어도 하나의 인공 센서는 사람의 눈, 피부, 귀, 코, 혀를 포함한 감각기관을 모사하여 외부의 빛, 압력, 촉각, 마찰, 소리, 진동, 열, 맛을 포함하는 감각 자극 및 가스, 온도, 습도, PH, 용매를 포함하는 화학적, 환경적 변화를 감지하여 저항, 전류, 전압, 유전률을 변화하여 전기 신호를 변화시키거나 빛 투과율, 빛 흡수율을 변화하여 광학적 특성을 변화시키는 센서일 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.
외부의 빛 자극을 감지하기 위한 인공 빛 센서는 빛 자극에 따라서 저항, 전류, 전압, 유전률을 변화하여 전기 신호를 변화시키거나 빛 투과율, 빛 흡수율을 변화하여 광학적 특성을 변화시키는 포토디텍터, 포토트랜지스터, 태양전지, 포토다이오드를 포함하는 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 이에 한정되지 않는다. 인공 빛 센서는 빛의 파장에 따라 선택적으로 반응하여 각 파장에 따라 서로 다른 전기적 신호나 광학적 특성을 변화시킬 수 있다.
외부의 압력 자극을 감지하기 위한 인공 압력 및 촉각 센서는 압력 자극에 따라서 저항, 전류, 전압, 유전률을 변화하여 전기 신호를 변화시키거나 빛 투과율, 빛 흡수율을 변화하여 광학적 특성을 변화시키는 압저항형(Piezoresistive) 압력센서, 압전형(Piezoelectric) 압력센서, 마찰전기형(Triboelectric) 압력센서, 정전용량형(Capacitive) 압력센서를 포함하는 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
외부의 소리 자극을 감지하기 위한 인공 청각 센서는 소리 및 진동 자극에 따라서 저항, 전류, 전압, 유전률을 변화하여 전기 신호를 변화시키거나 빛 투과율, 빛 흡수율을 변화하여 광학적 특성을 변화시키는 압저항형(Piezoresistive) 청각센서, 압전형(Piezoelectric) 청각센서, 정전용량형(Capacitive) 청각센서, 마찰전기형(Triboelectric) 청각센서를 포함하는 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
외부의 가스 및 액체의 화학적 자극을 감지하기 위한 인공 후각 및 미각 센서는 화학적 자극에 따라서 저항, 전류, 전압, 유전률을 변화하여 전기 신호를 변화시키거나 빛 투과율, 빛 흡수율을 변화하여 광학적 특성을 변화시키는 가스센서, PH센서, 액체센서, 화학센서를 포함하는 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
외부의 열 자극을 감지하기 위한 인공 열 센서는 온도 변화 따라서 저항, 전류, 전압, 유전률을 변화하여 전기 신호를 변화시키거나 빛 투과율, 빛 흡수율을 변화하여 광학적 특성을 변화시키는 열전센서(Thermoelectric), 열저항형센서(Thermoresistive), 초전체센서(Pyroelectric), 서미스터(Thermester), 서모커플(Thermocouple), 서모파일(Thermopile)을 포함하는 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
생체 신호는 근전도 신호(Electromyogram (EMG)), 심전도 신호(Electrocardiogram (ECG)), 뇌전도 신호(Electroencephalogram (EEG)), 안구전도 신호(Electrooculography (EOG)), 수용기 전위(Receptor potential), 활동 전위(Action potential)를 포함하며, 인공 센서로 생체신호를 감지하여 저항, 전류, 전압, 유전률을 변화하여 전기 신호를 변화시키는 것을 특징으로 한다.
생체 기관은 상피세포(epithelial cell), 근육세포(muscle cell), 신경세포(nerve cell), 섬유아세포(fibroblast), 생식세포(gamete), 뇌세포(brain cell), 골세포(bone cell), 연골세포(cartilage cell), 면역세포(immunocyte), 분비세포(secretary cell), 지방세포(fat cell), 혈세포(blood cell), 감각뉴런(sensory neuron), 촉각세포(merkel cell), 시각세포(visual cell), 청각세포(auditory cell), 후각세포(olfactory cell), 미각세포(taste cell), 통각세포(nociceptor), 운동 뉴런(motor neuron), 근육 섬유(muscle fiber), 신경근 접합부(neuromuscular junction), 운동 단위(motor unit)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
본 발명의 제1, 제2, 제3, 제4 인공 뉴런 소자는 뉴런 소자는 트랜지스터(transistor), 다이오드(diode), 저항(resistor), 축전기(capacitor/condenser), 유도자(inductor), 전압원(voltage generator), 전류원(current generator), 압전 결정(piezoelectric crystal), 부성저항 장치(negative resistance), 버랙터(varactor), 인버터(inverter), 슈미트 트리거(Schmitt trigger), 래치(latch), 비교기(comparator), 계전기(relay), 증폭기(amplifier), 연산 증폭기(operational amplifier), 오실레이터(oscillator), 엣지디텍터(edge detector)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
본 발명의 인공 신경계 장치는 하나 이상의 인공 뉴런 소자나 하나 이상의 인공 시냅스 소자로 구성될 수 있다. 또한 인공 신경 신경계 장치는 인공 뉴런 소자와 인공 시냅스 소자의 네크워크로 구성할 수 있다. 인공 뉴런 소자는 입력 전위에 따라 활동 전위를 만드는 역할을 한다. 인공 시냅스 소자는 하나 혹은 여러 개의 시냅스 전 신호를 입력 받아 하나의 시냅스 후 신호를 출력하는 역할을 한다. 시냅스 소자는 하나의 시냅스 전 입력 마다 가소성을 가진다. 한 시냅스 전 입력의 가소성은 해당 시냅스 전 입력과 시냅스 후 출력의 연결 세기를 뜻한다. 한 시냅스 전 입력의 가소성은 해당 시냅스 전 입력과 시냅스 후 출력의 시간차에 따라 동적으로 조절된다. 시냅스의 가소성은 학습을 가능하게 한다.
패턴화 된 외부 자극을 인공 센서를 통해 인공 시냅스 소자로 전달하고 발생하는 시냅스 후 신호의 패턴을 해석함으로써 인공 시냅스 소자가 포함된 전자소자에 명령을 전달할 수 있다. 예를 들어, 모스부호를 나타내는 빛 자극을 인가할 때 인공 시냅스 소자는 각각의 모스부호마다 다른 반응 신호를 발생하고, 신호를 해석하여 전자장치에 명령을 입력할 수 있다.
적어도 하나의 인공 시냅스 소자는 기판을 포함할 수 있다. 기판은 크롬, 알루미늄, 철 및 스테인리스스틸을 포함하는 군으로부터 선택되는 전도체 재료, 게르마늄, 실리콘 및 갈륨아세나이드를 포함하는 군으로부터 선택되는 반도체 재료, 유리, 사파이어, 종이, 플라스틱 필름을 포함하는 군으로부터 선택되는 절연체 재료를 포함할 수 있고, 폴리이미드, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리아크릴레이트, 폴리에테르술폰, 폴리프로필렌, 폴리디메틸실록산, 폴리메틸페닐실록산, 폴리디페닐실록산, 폴리실록산, 폴레우레탄, 폴리스타이렌, 스타이렌부타디엔 공중합체, 폴리스타이렌 공중합체, 에코플렉스로 이루어진 유연 신축성의 플렉서블, 스트레쳐블 기판 재료군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
적어도 하나의 인공 시냅스 소자는 유연하고 신축성이 있는 고분자 기판에 형성될 수 있다. 기계적인 변형에 안정적인 재료와 전도성 재료를 사용함으로써 유연하고 신축성이 있는 인공 시냅스 소자가 제작될 수 있다.
기계적인 변형에 안정적인 전도성 재료는 탄소 나노재료, 금속 나노 재료, 및액체 금속으로 구성된 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
본 발명의 인공 신경계 장치에 채용되는 적어도 하나의 인공 시냅스 소자는 신체의 피부에 부착이 가능하거나 신체 내부에 삽입이 가능할 수 있으며, 이를 위해서 기판을 포함한 전체 소자의 두께는 2000㎛ 이하인 것을 특징으로 하며, 바람직하게는 200㎛ 이하이며, 더 바람직하게는 100㎛ 이하인 것을 특징으로 하며, 특수한 목적을 위해서는 50㎛ 이하인 것이 특징일 수가 있다. 또한 기판을 포함한 전체 소자의 무게는 500g 이하인 것을 특징으로 하며 바람직하게는 200g 이하, 더 바람직하게는 100g 이하인 것을 특징으로 하며, 특수한 목적을 위해서는 10g 이하인 것이 특징일 수가 있다.
인공 시냅스 소자는 신체 삽입 및 외부 환경에 따라서 소자의 보호 및 안정적인 작동을 위해 고분자 박막, 유리, 스테인리스 스틸, 무기물, 그래핀, 다층 구조의 유기물/무기물 구조를 포함한 재료를 이용한 봉지공정이 필요할 수 있다.
인공 시냅스 소자를 신체 피부 및 장기, 사물의 표면에 부착하기 위하여 수용성 고분자 접착제가 사용될 수 있다.
인공 시냅스 소자는 기판 자체가 이온성 유전체나 반도체로 사용될 수 있다.
인공 센서의 기판은 실리콘, 유리, 사파이어, 폴리이미드, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리아크릴레이트, 폴리에테르술폰, 폴리프로필렌, 폴리디메틸실록산, 폴리메틸페닐실록산, 폴리디페닐실록산, 폴리실록산, 폴레우레탄, 폴리스타이렌, 스타이렌부타디엔 공중합체, 폴리스타이렌 공중합체, 에코플렉스로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
본 발명의 인공 신경계 장치는 적어도 하나의 인공 시냅스 소자로 신호를 입력하는 적어도 하나의 인공 센서를 포함할 수 있다. 이 경우, 적어도 하나의 인공 센서에서 출력되는 전기 신호가 적어도 하나의 인공 시냅스 소자로 입력될 수 있다. 바람직하게는 적어도 하나의 인공 센서에서 나오는 전기적 신호를 상기 적어도 하나의 인공 시냅스 소자에 입력되기 적합한 신호로 변환하는 제1 인공 뉴런 소자를 포함할 수 있다. 더 바람직하게는 제1 인공 뉴런 소자로서, 인공 센서의 전기 신호의 세기를 주파수로 변형시키는 오실레이터(oscillator) 소자 가 포함될 수 있다. 또한 더 바람직하게는 제1 인공 뉴런 소자로서 전기 신호의 세기를 증폭시키기 위한 증폭기와 파형을 세밀하게 조절하기 위한 엣지디텍터(edge detector)가 포함될 수 있다.
본 발명의 인공 신경계 장치는 인공 시냅스 소자가 생체 기관에 연결될 수 있다. 이 경우, 생체 기관에서 출력되는 전기 신호가 상기 적어도 하나의 인공 시냅스 소자로 입력될 수 있다. 바람직하게는 생체 기관에서 나오는 전기적 신호를 상기 적어도 하나의 인공 시냅스 소자에 입력되기 적합한 신호로 변환하는 제2 인공 뉴런 소자를 포함할 수 있다. 더 바람직하게는 제2 인공 뉴런 소자로서, 센서의 전기 신호의 세기를 주파수로 변형시키는 오실레이터 소자가 포함될 수 있다. 또한 더 바람직하게는 제2 인공 뉴런 소자로서, 전기 신호의 세기를 증폭시키기 위한 증폭기와 파형을 세밀하게 조절하기 위한 엣지디텍터가 포함될 수 있다.
또한 본 발명의 인공 신경계 장치에 포함되는 적어도 하나의 인공 시냅스 소자는 시냅스 전 신호를 입력 받아 시냅스 후 신호로 출력할 수 있다. 적어도 하나의 인공 시냅스 소자는 2단자 이상의 전극을 가지는 트랜지스터, 다이오드, 저항, 축전기(capacitor), 유도자(inductor), 이온 펌프(ion pump), 이온 전지(배터리) 구조로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 이에 제한되지 않는다. 더 자세하게는 적어도 하나의 인공 시냅스 소자가 이온성 유전체 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 3단자 이상의 전극을 가지는 구조의 트랜지스터, 플래시 메모리(flash memory), 자성 메모리(Magnetic Random Access Memory), 멤리스터(Memristor), 저항 메모리(Resistive Random Access Memory,), 자기 저항 메모리(Magnetoresistive Random Access Memory), 상변화 메모리(phase-change memory)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.
적어도 하나의 인공 시냅스 소자를 구현하기 위한 비실리콘 활성물질로 유기 재료, 금속 산화물 재료, 상변화 합금 재료(phase change alloy matierial), 탄소 나노재료, 격자상 2차원 재료(Two-Dimensional layered material), 페로브스카이트 재료, 금속 나노재료, 이온성 유전체 재료 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 활성 물질을 포함할 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.
적어도 하나의 인공 시냅스 소자를 구현하기 위한 활성물질로 실리콘 반도체 재료, 화합물 반도체, 이들의 합금 및 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 활성 물질을 포함할 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.
이온성 유전체 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 3단자 이상의 전극을 가지는 구조의 트랜지스터의 이온성 유전체는 상기 이온성 도펀트(ionic dopant)는 양이온과 음이온이 인가되는 전기적 신호에 따라서 분극이 형성되거나 분리되는 것을 특징으로 하며, 이온을 포함하는 금속, 세라믹, 고분자, 반도체, 유전체 등의 재료를 포함하며, 이에 국한되지 않는다. 예를 들어, 1-Ethyl-3-methylimidazolium, 1-Butyl-3-methylimidazolium, Methyl-tributylammonium, 1,2,3-Trimethylimidazolium, Methylimidazolium, 1-Ethyl-2,3-dimethylimidazolium, 1-Butyl-2,3-dimethylimidazolium, 1-Dodecyl-3-methylimidazolium, 1-Butyl-1-methylpyrrolidinium, N-Methyl-N-trioctylammonium, N-Butyl-N-methylpyrrolidinium, Triethylsulphonium, Tetraethylammonium, Tetrabutylphosphonium, Methyltrioctylammonium, 3-Methyl-1-propylpyridinium, 1,2-Dimethyl-3-propylimidazolium, 1-Hexyl-3-methylimidazolium, 1-Methyl-3-octylimidazolium, 1-Butyl-4-methylpyridinium, 1,3-Dimethylimidazolium, 4-(3-Butyl-1-imidazolio)-1-butanesulfonic acid, 3-(Triphenylphosphonio)propane-1-sulfonic acid, 1-Allyl-3-methylimidazolium, 1-Butyl-1-(3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8-tridecafluorooctyl)-imidazolium, 1-Methyl-3-(3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8-tridecafluoro-octyl)-imidazolium의 양이온과 chloride, methanesulfonate, methylsulfate, hydrogensulfate, tetrachloroaluminate, acetate, methyl sulfate, thiocyanate, ethyl sulfate, tetrafluoroborate, dicyanamide, hexafluoroantimonate, hexafluorophosphate, bis(trifluoromethyl sulfonyl)imide, trifluoromethane sulfonate, iodide, nitrate, bromide, bis(pentafluoroethylsulfonyl)-imide, tosylate, octyl sulfate, bis(2,4,4-trimethyl-pentyl)phosphinate, decanoate, thiosalicylate, triflate2-(2-methoxyethoxy)-ethyl sulfate, nonafluorobutanesulfonate, benzoate, heptadecafluorooctanesulfonate의 음이온을 포함하는 군으로부터 선택되는 이온성 도펀트를 포함할 수 있으며, 또는 이들의 블렌드를 포함할 수 있다. 본 발명에서는 모든 이온성 유전체 물질 및 이들의 혼합물이 포함될 수 있으므로 특별히 특정 이온성 유전체 재료에 제한되지 않는다.
적어도 하나의 인공 시냅스 소자에 포함되는 유기 물질은 이중결합 혹은 삼중결합을 통하여 π-공액 결합을 가지는 모든 재료가 가능하다. 예를 들어, 6,13-비스(트리아이소프로필실릴에티닐)펜타센 (6,13-bis(triisopropylsilylethynyl) pentacene), 펜타센(pentacene), 테트라센 (tetracene), 안트라센 (anthracene), 루브렌 (rubrene), α-6T (alpha-hexathienylene), 트리에틸실릴에티닐 안트라디타이오펜 (triethylsilylethynyl anthradithiophene: TES ADT) 및 [6,6]-페닐 C61 부티르산메틸에스테르 ([6,6]-phenyl C61 butyric acid methyl ester: PCBM)을 포함하는 군으로부터 선택되는 유기 저분자 반도체 재료, polythiophene, P3HT(Poly(3-hexylthiophene)), P3OT(poly 3-octlythiophene), PBT(poly butylthiopehene), PEDOT(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)), PVK(Poly(9-vinylcarbazole)) 또는 이의 유도체, 폴리(p-페닐렌 비닐렌) (poly(p-phenylene vinylene) 또는 이의 유도체, PTV(poly(thienylene vinylene)) 또는 이의 유도체, 폴리아세틸렌(polyacetylene) 또는 이의 유도체, 폴리플루오렌(polyfluorene) 또는 이의 유도체, poly(spiro fluorine) 또는 이의 유도체, 폴리아닐린(polyaniline) 또는 이의 유도체 및 폴리피롤 (polypyrrole) 또는 이의 유도체를 포함하는 군으로부터 선택되는 유기 고분자 반도체 또는 전도성 고분자 재료가 가능하다. 또는 PEO(Polyethylene oxide), PS(Polystyrene), PCL(Polycaprolactone), PAN(Polyacrylonitrile), PMMA(Poly(methyl methacrylate)), 폴리이미드(Polyimide), PVDF(Poly(vinylidene fluoride)) 및 PVC(Polyvinylchloride)를 포함하는 군으로부터 선택되는 유기 절연성 고분자를 포함할 수 있으며, 또는 이들의 블렌드를 포함할 수 있다. 본 발명에서는 모든 반도체 재료 및 이들의 혼합물이 포함될 수 있으므로 특별히 특정 반도체 재료에 제한되지 않는다.
적어도 하나의 인공 시냅스 소자에 포함되는 무기 물질은 산화아연, 산화인듐, 산화주석, 산화갈륨, 산화텅스텐, 산화알루미늄, 산화티타늄, 산화바나듐, 산화몰리브데늄 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으며, 본 발명에서는 모든 무기 반도체 재료 및 이들의 혼합물이 포함될 수 있으므로 특별히 특정 무기 재료에 제한되지 않는다.
적어도 하나의 인공 시냅스 소자에 포함되는 상변화 합금 재료는 셀레늄(Se), 텔루륨(Te)을 포함하는 16족의 칼코겐 원소 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으며, 본 발명에서는 모든 상변화 합금 재료 및 이들의 혼합물이 포함될 수 있으므로 특별히 특정 상변화 합금 재료에 제한되지 않는다.
적어도 하나의 인공 시냅스 소자에 포함되는 탄소 나노재료는 탄소나노튜브, 그래핀, 환원된 그래핀 산화물, 그래핀 양자점, 그래핀 나노리본, 카본 나이트라이드 (C3N4), 비정질 탄소 그라파이트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으며, 본 발명에서는 모든 탄소 나노재료 및 이들의 혼합물이 포함될 수 있으므로 특별히 특정 탄소 나노재료에 제한되지 않는다.
적어도 하나의 인공 시냅스 소자에 포함되는 격자상 2차원 재료(two-dimensional layered material)는 붕소, 탄소, 질소, 육방정계 질화붕소, 게르마늄, 황, 인, 몰리브덴, 주석 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으며(예: 전이금속 칼코지나이드계(Transition metal dichalcogenide: TMDC), 본 발명에서는 모든 격자상 2차원 재료 및 이들의 혼합물이 포함될 수 있으므로 특별히 특정 격자상 2차원 재료에 제한되지 않는다.
적어도 하나의 인공 시냅스 소자에 포함되는 질화물 재료는 질화탄소 (C3N4), 질화 알루미늄(AIN), 질화 갈륨(GaN), 질화 인듐(InN), 질화 티타늄 (TiN), 질화 크롬(Cr2N) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으며, 본 발명에서는 모든 질화물 재료 및 이들의 혼합물이 포함될 수 있으므로 특별히 특정 질화물 재료에 제한되지 않는다.
적어도 하나의 인공 시냅스 소자에 포함되는 페로브스카이트 구조(ABX3, Face-centered cubic과 Body-centered cubic 결정구조를 혼합한 구조)를 가지는 물질은 무기 금속 산화물, 무기 금속 할라이드, 유무기 금속 할라이드를 포함한다. 이러한 무기금속산화물은 일반적으로 산화물(oxide)로서, A, B site에 서로 다른 크기를 가지는 Ti, Sr, Ca, Cs, Ba, Y, Gd, La, Fe, Mn 등의 금속(알칼리 금속, 알칼리 토금속, 전이 금속 및 란타넘 족 등) 양이온들이 위치하고 X site에는 산소(oxygen) 음이온이 위치하고, B site의 금속 양이온들이 X site의 산소(oxygen) 음이온들과 6-fold coordination의 모서리-공유 팔면체(corner-sharing octahedron) 형태로서 결합되어 있는 물질이다. 그 예로서, SrFeO3, LaMnO3, CaFeO3 등이 있다.
무기 금속 할라이드 페로브스카이트 구조는, 무기 금속 할라이드 ABX3 구조에서 A site에 무기 금속 (예: Cs) 양이온이 위치하게 되고, X site에는 할라이드(halides, Cl, Br, I)가 위치하게 되어 그 조성이 무기금속산화물 페로브스카이트 재료와는 완전히 다르다.
유무기 하이브리드 페로브스카이트 구조(ABX3)를 살펴보면, 유무기 하이브리드 페로브스카이트는 ABX3 구조에서 A site에 유기 암모늄(RNH3) 양이온이 위치하게 되고, X site에는 할라이드(halides, Cl, Br, I)가 위치하게 되어 그 조성이 무기금속산화물 페로브스카이트 재료와는 완전히 다르다.
페로브스카이트 재료는 2차원, 준2차원(quasi-2d, 예: Ruddlesden-Popper), 나노와이어, 양자점, 나노로드, 나노입자, 단결정, 판상형입자 및 이들의 혼합물 등 다양한 형태로 변형될 수 있고, 이에 한정되지 않는다.
적어도 하나의 인공 시냅스 소자에 포함되는 금속 나노재료는 나노 크기의 입자, 플레이크, 와이어, 리본, 막대 형태를 갖는 금속 또는 금속 산화물 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으며, 본 발명에서는 모든 금속 나노재료 및 이들의 혼합물이 포함될 수 있으므로 특별히 특정 금속 나노재료에 제한되지 않는다.
적어도 하나의 인공 시냅스 소자에 포함되는 나노재료는 나노 크기의 입자, 양자점, 판상형 플레이크 입자, 와이어, 리본, 막대 형태를 갖는 유기 또는 무기 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으며, 본 발명에서는 모든 나노재료 및 이들의 혼합물이 포함될 수 있으므로 특별히 특정 나노재료에 제한되지 않는다.
본 발명의 인공 신경계 장치는 적어도 하나의 인공 운동 기관을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 인공 운동 기관은 예를 들어 102에서 1012 Pa의 강성을 가지고 있는 재료가 사용될 수 있으며, 바람직하게는 105에서 1011 Pa의 강성의 재료가 사용될 수 있으며, 보다 바람직하게는 105에서 107 Pa의 강성의 유연실리콘, 실리콘계 탄성체(silicone elastomer)(예: polydimethylsiloxane(PDMS)), 경화고무를 포함하는 군으로부터 선택되는 재료, 또는 이들의 블렌드가 사용될 수 있다.
적어도 하나의 인공 운동 기관은 유압, 공압, 수압, 전기로 작동하는 액추에이터가 사용될 수 있으며, 형상기억합금, 형상 기억 고분자, 고분자 유전 탄성체, 이온 고분자 금속 복합재를 포함하는 군으로부터 선택되는 재료, 또는 이들의 블렌드가 사용될 수 있다.
적어도 하나의 인공 운동 기관은 모터, 와이어, 태엽, 기어를 포함하는 방식으로 구동되는 형태를 포함할 수 있다. 혹은 소프트 로봇, 신경보철, 보철의 형태를 포함할 수 있다.
본 발명의 인공 신경계 장치는 생체 운동 기관에 연결될 수 있다. 연결되는 생체 운동 기관은 생체 근육 섬유, 생체 운동 단위(motor unit: 운동 뉴런 및 그와 연결된 근육 섬유), 생체 운동 뉴런, 생체 신경근 접합부를 포함하는 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
적어도 하나의 인공 시냅스 소자의 신호 출력은 인공 운동 기관이나 생체 기관에 직접적으로 입력하거나 변환 회로를 거쳐서 운동 기관이나 생체 기관에 연결한다. 이를 위해, 적어도 하나의 제3 인공 뉴런 소자 또는 적어도 하나의 제4 인공 뉴런 소자가 본 발명의 인공 신경계 장치에 포함될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 인공 신경계 장치는 생체 연동 인공 신경계 장치일 수있고, 예를 들어 뇌신경계와 연결되어 뇌신경계의 비이상적인 신경전달 물질 분비를 제어하여 뇌전증(epilepsy), 알츠하이머(alzheimer's disease), 무도증(chorea) 또는 뇌졸중(stroke)을 연구하거나 치료하는데 이용될 수 있다.
또한 생체 연동 인공 신경계 장치는 예를 들어 감각 또는 운동신경계와 연결되어 손상된 감각 또는 운동 신경계의 기능을 보전하거나 연구 또는 치료하는데 이용될 수 있다.
나아가, 생체 연동 인공 신경계 장치는 예를 들어 감각 또는 운동신경계와 연결되어 감각 또는 운동 신경계의 비이상적인 신경전달 물질 분비를 제어하거나 퇴행성 감각 또는 운동 뉴런 및 신경, 시냅스를 대체하여 파킨슨병(Parkinson's disease), 루게릭병(amyotrophic lateral sclerosis), 중증근무력증(Myasthenia gravis), 또는 한센병(leprosy)을 연구하거나 치료하는데 이용될 수 있다.
본 발명에 따르면, 생물학적 신경계를 모사한 인공 시냅스 소자를 포함하는 다양한 인공 신경계 장치가 제공된다. 일례로, 인공 감각 운동 신경계 장치를 만들면 로봇 개발과 보철 장치를 만드는데 적용 가능하며, 지능형 소프트 로봇이나 웨어러블 전자소자를 제작할 수 있다. 인공 시냅스 소자는 인간이나 동물과 유사하도록 부드러운 소재로 만들어진 로봇을 만들 수 있게 하고, 사용자가 착용하는 데 편안한 보철 장치를 가능하게 한다. 또한 생물학적 신경계를 모사함으로써 생체 기관과 호환성이 생겨 생체 기관에 보철 장치를 직접적으로 쉽게 연결할 수 있다. 그리고 하드웨어 자체가 학습을 위해 설계 되었기 때문에 기계 학습에 있어 에너지 효율성이 높다.
도 1은 본 발명의 인공 신경계 장치의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명이 모사한 생물학적 신경계와 본 발명의 인공 신경계 장치를 비교하여 도시한 도면이다.
도 3a 및 3b는 도 2에 도시된 인공 신경계 장치에 채용된 인공 시냅스 소자의 제조 과정을 설명하기 위한 도면과 사진이다.
도 4는 도 3에서 설명한 과정을 통해 제조된 신축성 인공 시냅스 소자가 수직 및 수평 방향으로 인장 되었을 때와 반복적인 인장 시험에서 나타낸 전류-전압특성곡선과 이동도 및 최대 전류 값의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 인공 시냅스 소자의 작동원리에 관한 모식도이다.
도 6은 본 발명의 인공 시냅스 소자의 시냅틱 반응특성이다.
도 7은 본 발명의 빛 감응성 인공 시냅스 소자의 시냅틱 특성이다.
도 8은 본 발명의 빛 감응성 인공 감각 운동 신경계 장치에 의한 인공 근육 섬유인 고분자 액추에이터의 변위 특성이다.
도 9는 본 발명의 제조예 2에 따라 제조된 인공 시냅스 소자를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 10은 도 9에 도시된 인공 시냅스 소자를 포함하는 인공 신경계 장치의 동작을 설명하기 위한 블록도이다.
도 11은 도 9의 인공 시냅스 소자의 전기적 특성이다.
도 12는 도 9의인공 시냅스 소자의 시냅틱 반응특성이다.
도 13은 본 발명의 인공 구심성 신경계 장치(artificial afferent nerve system)를 생물학적 구심성 신경(biological afferent nerve)과 비교해서 나타낸 도면이다.
도 14는 도 13의 인공 구심성 신경계 장치의 한 예로서 여러 갈래가 있는 구조를 나타낸다.
도 15는 본 발명의 인공 신경계 장치를 적용한 혼성 반사궁(hybrid reflex arc)을 나타낸다.
도 16은 본 발명의 인공 시각 신경계 장치를 생물학적 시각 신경계와 비교해서 나타낸 도면이다.
도 17은 본 발명의 제조예 5에 따라 제조된 신경 보철 장치의 동작을 설명하기 위한 블록도이다.
도 18은 본 발명의 제조예 6에 따라 제조된 신경 보철 장치의 동작을 설명하기 위한 블록도이다.
도 19은 본 발명의 제조예 6에 따라 제조된 신경 보철 장치가 적용될 수 있는 운동 뉴런 질환을 설명하기 위한 예시도면이다.
도 20은 본 발명의 제조예 7에 따라 제조된 신경 보철 장치의 동작을 설명하기 위한 블록도이다.
도 21은 본 발명의 제조예 7에 따라 제조된 신경 보철 장치가 적용될 수 있는 운동 뉴런 질환을 설명하기 위한 예시도면이다.
도 2는 본 발명이 모사한 생물학적 신경계와 본 발명의 인공 신경계 장치를 비교하여 도시한 도면이다.
도 3a 및 3b는 도 2에 도시된 인공 신경계 장치에 채용된 인공 시냅스 소자의 제조 과정을 설명하기 위한 도면과 사진이다.
도 4는 도 3에서 설명한 과정을 통해 제조된 신축성 인공 시냅스 소자가 수직 및 수평 방향으로 인장 되었을 때와 반복적인 인장 시험에서 나타낸 전류-전압특성곡선과 이동도 및 최대 전류 값의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 인공 시냅스 소자의 작동원리에 관한 모식도이다.
도 6은 본 발명의 인공 시냅스 소자의 시냅틱 반응특성이다.
도 7은 본 발명의 빛 감응성 인공 시냅스 소자의 시냅틱 특성이다.
도 8은 본 발명의 빛 감응성 인공 감각 운동 신경계 장치에 의한 인공 근육 섬유인 고분자 액추에이터의 변위 특성이다.
도 9는 본 발명의 제조예 2에 따라 제조된 인공 시냅스 소자를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 10은 도 9에 도시된 인공 시냅스 소자를 포함하는 인공 신경계 장치의 동작을 설명하기 위한 블록도이다.
도 11은 도 9의 인공 시냅스 소자의 전기적 특성이다.
도 12는 도 9의인공 시냅스 소자의 시냅틱 반응특성이다.
도 13은 본 발명의 인공 구심성 신경계 장치(artificial afferent nerve system)를 생물학적 구심성 신경(biological afferent nerve)과 비교해서 나타낸 도면이다.
도 14는 도 13의 인공 구심성 신경계 장치의 한 예로서 여러 갈래가 있는 구조를 나타낸다.
도 15는 본 발명의 인공 신경계 장치를 적용한 혼성 반사궁(hybrid reflex arc)을 나타낸다.
도 16은 본 발명의 인공 시각 신경계 장치를 생물학적 시각 신경계와 비교해서 나타낸 도면이다.
도 17은 본 발명의 제조예 5에 따라 제조된 신경 보철 장치의 동작을 설명하기 위한 블록도이다.
도 18은 본 발명의 제조예 6에 따라 제조된 신경 보철 장치의 동작을 설명하기 위한 블록도이다.
도 19은 본 발명의 제조예 6에 따라 제조된 신경 보철 장치가 적용될 수 있는 운동 뉴런 질환을 설명하기 위한 예시도면이다.
도 20은 본 발명의 제조예 7에 따라 제조된 신경 보철 장치의 동작을 설명하기 위한 블록도이다.
도 21은 본 발명의 제조예 7에 따라 제조된 신경 보철 장치가 적용될 수 있는 운동 뉴런 질환을 설명하기 위한 예시도면이다.
이하 첨부한 도 을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 인공 신경계 장치의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
본 발명은 인공 신경계 장치(10)에 관한 것으로서 적어도 하나의 인공 시냅스 소자(11)를 포함한다. 적어도 하나의 인공 시냅스 소자(11) 각각은 기판과 기판 상에 형성된 활성물질과 활성물질과 전기적으로 연결된 2단자 이상의 전극을 포함할 수 있다. 바람직하게는 인공 시냅스 소자(11)는 활성물질 상에 형성된 이온성 유전층과 3단자 이상의 전극을 포함하는 트랜지스터형일 수 있다. 이 경우, 게이트 전극은 이온성 유전층 상에 마련되며, 시냅스 전 신호가 게이트 전극을 통해 인가될 수 있다. 적어도 하나의 인공 시냅스 소자(11)는 시냅스 전 신호가 입력되면 시냅스 후 신호를 출력한다.
인공 신경계 장치의 하나의 예는 적어도 하나의 인공 센서(13)와 적어도 하나의 인공 시냅스 소자(11)를 포함할 수 있다. 인공 신경계 장치의 다른 예는 적어도 하나의 인공 시냅스 소자(11)와 적어도 하나의 인공 운동 기관(15)을 포함할 수 있다. 인공 신경계 장치의 또 다른 예는 적어도 하나의 인공 센서(13)와 적어도 하나의 인공 시냅스 소자(11)와 적어도 하나의 인공 운동 기관(15)을 포함할 수 있다. 상술한 인공 신경계 장치의 예들은 또한 생체 기관과 연결될 수 있다. 예를 들어, 인공 센서 대신 생체 기관으로부터의 생체 신호 또는 생체 신호에서 변환된 신호가 적어도 하나의 인공 시냅스 소자로 입력되도록 구성될 수 있다. 또한 예를 들어 적어도 하나의 시냅스 소자로부터의 출력 신호가 인공 운동 기관 대신 생체 기관으로 전달되도록 구성될 수 있다.
적어도 하나의 인공 센서(13)와 적어도 하나의 인공 시냅스 소자(11)의 구성과, 그리고 생체 기관에 연결된 적어도 하나의 인공 시냅스 소자(11)의 구성을 각각 "인공 감각 신경계 장치"라고 칭할 수 있다.
적어도 하나의 인공 시냅스 소자(11)와 적어도 하나의 인공 운동 기관(15)의 구성과, 생체 기관으로 시냅스 후 신호를 출력하도록 연결된 적어도 하나의 인공 시냅스 소자(11)의 구성을 각각 "인공 운동 신경계 장치"라고 칭할 수 있다.
나아가, 적어도 하나의 인공 센서(13), 적어도 하나의 인공 시냅스 소자(11), 및 적어도 하나의 인공 운동 기관(15)을 포함하는 구성과 생체 기관에 연결된 적어도 하나의 인공 시냅스 소자(11) 및 적어도 하나의 인공 운동 기관(15)의 구성을 각각 "인공 감각 운동 신경계 장치"라고 칭할 수 있다.
상술한 예시들에서, 적어도 하나의 인공 센서(13)로부터의 신호 또는 생체 기관으로부터의 신호를 적어도 하나의 인공 시냅스 소자(11)에 적합한 신호로 변환하기 위한 변환 소자를 "제1 또는 제2 인공 뉴런 소자"(17)라고 칭할 수 있다. 나아가, 적어도 하나의 인공 시냅스 소자(11)로부터의 출력 신호를 적어도 하나의 인공 운동 기관 또는 생체 기관에 적합한 신호로 변환하기 위한 변환 소자를 "제3 또는 제4 인공 뉴런 소자"(19)라고 칭할 수 있다. 제1 또는 제2 인공 뉴런 소자(17)와 제3 또는 제4 인공 뉴런 소자(19)는 필요할 경우에 구비된다.
<제조예 1>
본 발명의 일 실시예에 따라 인공 시냅스 소자를 이용하여 빛 감응성 인공 감각 운동 신경계 장치를 제작하였다.
도 2는 본 발명이 모사한 생물학적 신경계와 본 발명의 인공 신경계 장치를 비교하여 도시한 도면이다. 도 2의 (a)는 본 발명에서 모사한 생물학적 신경계를 나타내는 도면이고, 도 2의 (b)는 본 발명의 제조예 1에서 제조된 인공 신경계 장치를 나타내는 도면이다.
제조예 1에서는 인공 시냅스 소자(11)를 이용하여 빛 감응성 인공 감각 운동 신경계 장치(10)를 제조하였고, 그 모식도가 도 2의 아래의 (b)에 도시되었다. 인공 센서(13)로서 인공 빛 감각기관인 포토디텍터와 인공 근육 섬유인 고분자 액추에이터가 인공 시냅스 소자(11)로 연결된다. 인공 시냅스 소자(11)는 기판(111), 활성물질(113), 및 전극(115)을 포함하고, 절연층(117)이 활성물질(113) 상에 배치된다. 인공 센서(13)인 포토디텍터의 게이트 프로브가 인공 시냅스 소자(11)의 게이트 전극으로 연결된다.
자외선, 가시광선, 적외선을 포함하는 파장의 빛 자극에 따라서 인공 빛 감각기관인 포토디텍터는 생체활동전위를 모사하는 전기 신호를 발생시키고 인공 시냅스 소자(11)의 시냅스 전 활동전위로서 게이트 전극에 인가한다.
도 3a 및 3b는 도 2에 도시된 인공 신경계 장치에 채용된 인공 시냅스 소자(11)의 제조 과정을 설명하기 위한 도면과 사진이다. 유기 반도체 나노와이어가 활성물질(113)로, 탄소나노튜브가 전극(115)으로, 그리고 이온성 유전체가 절연층(117)으로 각각 적용되었다.
전기 방사로 제작된 유기 반도체 나노와이어 및 이온성 유전체(1-Ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide), 탄소나노튜브 전극을 이용한 전기 화학적 트랜지스터를 100% 사전-인장된(pre-strained) 스타디엔-에틸렌-부타디엔-스타이렌(SEBS) 블록 공중합체 기판에 형성하여 제작하였다. 2.1mg의 유기 반도체 고분자와 0.9mg의 polyethylene oxide(PEO)를 1ml의 chloroform 용매에 용해시킨 용액을 전기방사를 이용하여 유기 반도체 나노와이어를 형성하였다. 인가전압은 3kV이고 팁과 기판의 거리는 15cm, 용액의 토출속도는 1μl/min 이다. 탄소나노튜브 전극은 스프레이코팅을 통해서 제작되었다. 이온성 유전체는 poly(styrene-b-methyl methacrylate-b-styrene)(PS-PMMA-PS) triblock 공중합체 고분자와 1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide ([EMI][TFSI]) 이온성 유전체가 ethyl acetate 용매에 0.7:9.3:90 질량비로 용해된 용액이 유기 반도체 나노와이어 위에 형성되었고, 진공에서 건조되었다.
도 4는 도 3에서 설명한 과정을 통해 제조된 인공 시냅스 소자의 전기적 특성을 나타내는 그래프이다. 인공 시냅스 소자는 채널의 길이 방향 또는 수직 방향으로 100% 인장된 상태와 반복적인 인장 후에도 인장되지 않은 상태와 유사한 전류-전압 곡선 특성을 나타내었다.
도 5는 인공 시냅스 소자의 작동원리에 관한 모식도이다. 시냅스 전 생체활동전위를 모사하는 게이트 전압에 의해서 이온성 유전체 내부의 이온들이 분극되고 유기 고분자 반도체 내부에 전하들이 유도되어 시냅스 후 활동전위를 모사하는 드레인 전류의 반응을 나타낸다. 짧은 시간의 게이트 전압이 반복적으로 인가됨에 따라서 유기 고분자 반도체 표면에 축적되는 이온들의 양이 점진적으로 증가하고 결과적으로 드레인 전류의 크기도 증가하는 시냅스 강화 반응이 나타난다.
도 6은 인공 시냅스 소자의 시냅틱 반응특성이다. 시냅스전 전기 신호에 따라서 인공 시냅스 소자는 채널의 길이 방향으로 100% 인장된 상태에서도 0% 인장된 상태와 유사한 EPSC(excitatory postsynaptic current), PPF(paired-pulse facilitation), spike-voltage-dependent plasticity(SVDP), spike-number-dependent plasticity(SNDP), spike-frequency-dependent plasticity(SFDP), high-pass filtering 특성을 나타내었다. EPSC는 생체 시냅스의 대표적인 특성인 EPSP(excitatory postsynaptic potential) 또는 EPSC를 모사한 특성으로서, 시냅스 전 뉴런의 활동전위에 의해서 시냅스를 통해 신경전달 물질을 전달받은 시냅스 후 뉴런의 분극 또는 탈분극이 일어나는 반응이다. PPF는 짧은 간격으로 발생하는 시냅스 전 뉴런의 활동전위에 의해서 시냅스 후 뉴런의 반응이 강화되는 현상이다. 짧은 간격으로 발생할수록 시냅스 후 뉴런의 반응이 강화되며, 뇌의 기억, 학습, 감각 및 운동의 강화와 관계된다. SVDP, SNDP, SFDP는 시냅스 전 뉴런의 활동전위의 크기, 횟수 및 빈도에 따라서 나타나는 시냅스 후 뉴런의 반응이다.
도 7은 빛 감응성 인공 시냅스 소자의 시냅틱 특성이다. 인공 빛 감각기관인 포토디텍터와 연결된 인공 시냅스 소자는 빛 자극에 따라 인가되는 시냅스전 전기 신호에 따라서 채널의 길이 방향으로 100% 인장된 상태에서도 0% 인장된 상태와 유사한 EPSC, spike-number-dependent plasticity, spike-duration-dependent plasticity 나타내었다. 포토디텍터는 poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)(P3HT) 와 [6,6]-phenyl-C(61)-butyric acid methyl ester (PC60BM)이 광활성층으로 사용된 역구조의 태양전지가 사용되었고, 빛 자극에 의해서 -1.1 V 출력전압을 형성하였다.
도 8은 빛 감응성 인공 감각 운동 신경계 장치에 의한 인공 근육 섬유인 고분자 액추에이터의 변위 특성이다. 인가되는 빛의 주파수(frequency)와 횟수에 따라서 고분자 액추에이터의 변위 특성이 제어된다. 이는 생체 근신경계에서 시냅스 전 활동전위의 주파수(frequency)와 횟수에 따라서 조절되는 생체 근육의 수축 원리와 유사하다. 또한 인공 신경계 장치없이 단순 일정 전압 인가로 구동되는 고분자 액추에이터의 변위는 항상 일정하므로 생체 근육의 수축 원리와 명백히 다르다.
<제조예 2>
본 발명의 일 실시예에 따라 인공 시냅스 소자를 포함하는 소리 감응성 인공 신경계 장치를 제작하였다.
도 9는 본 발명의 제조예 2에 따라 제조된 인공 시냅스 소자(21)를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 10은 도 9에 도시된 인공 시냅스 소자(21)를 포함하는 인공 신경계 장치의 동작을 설명하기 위한 블록도이다.
제조예 2에 따라 제조된 인공 신경계 장치는 인공 소리 감각기관인 나노제네레이터(인공센서)가 인공 시냅스 소자(21)로 연결된다. 소리의 주파수에 따라서 인공 소리 감각기관인 나노제네레이터는 생체활동전위를 모사하는 전기 신호를 발생시키고 인공 시냅스 소자(21)의 시냅스 전 활동전위로서 게이트 전극에 인가한다.
인공 시냅스 소자(21)는 기판(111), 기판(111) 상에 형성된 활성물질(113), 활성물질(113)에 전기적으로 연결된 2단자 이상의 전극(115), 및 활성물질 상에 배치된 유전층(117)을 포함한다. 참고적으로, 인공 시냅스 소자(21)의 각 요소는 인공 시냅스 소자(11)의 대응, 유사, 및 동일와 동일한 부호를 부여하였고, 이하 같다.
활성물질(113)로서 유기 반도체 박막 및 유전층(117)으로서 이온성 유전체(1-Ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide), 골드 전극(115)을 이용한 유기 전기 화학적 트랜지스터 SiO2/Si 웨이퍼(기판, 111)에 형성하여 제작하였다. 유기 반도체 고분자 poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)(P3HT) 5mg을 Chlorobenzene 1ml에 용해시킨 용액을 이용하여 유기 반도체 박막을 형성하였다. 진공 열 증착법을 이용하여 40nm의 골드 소스 드레인 전극(115)을 형성하였다. 이온성 유전체는 poly(styrene-b-methyl methacrylate-b-styrene)(PS-PMMA-PS) triblock 공중합체 고분자와 1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide ([EMI][TFSI]) 이온성 유전체가 ethyl acetate 용매에 0.7:9.3:90 질량비로 용해된 용액이 유기 반도체 박막 위에 형성되었고, 진공에서 건조되었다.
도 11은 도 9의 인공 시냅스 소자의 전기적 특성이다. 도 12는 도 9의인공 시냅스 소자의 시냅틱 반응특성이다. 시냅스 전 전기 신호에 따라서 인공 시냅스 소자(21)는 1번의 시냅스 전 전기 신호에 의해 EPSC(excitatory postsynaptic current), 2번의 시냅스 전 전기 신호에 의해 PPF(paired-pulse facilitation), 그리고 1번에서 20번의 시냅스 전 전기 신호에 의해 spike-number-dependent plasticity 특성을 나타내었다.
나노제네레이터에서 소리의 주파수에 따라 발생하는 시냅스 전 전기 신호에 따라서 인공 시냅스 소자는 EPSC, PPF, spike-number-dependent plasticity 특성을 나타내었다.
<제조예 3>
본 발명의 일 실시예에 따라 인공 시냅스 소자(31)와 인공 뉴런 소자(37)을 포함하는 인공 구심성 신경계 장치(30)를 제작하였다.
도 13은 본 발명의 인공 구심성 신경계 장치(artificial afferent nerve system)(30)를 생물학적 구심성 신경(biological afferent nerve)과 비교해서 나타낸 도면이다.
도 13의 (a)는 압력 자극을 수용하는 생물학적 구심성 신경을 나타낸다. 압력이 기계적 감각수용기들에 가해지면 수용기 전위들이 변화한다. 수용기 전위들은 헤미노드(heminode는 감각뉴런에서 수초로 덮이기 시작하는 점이다)에서 합쳐져서 활동 전위를 발생시킨다. 구심성 신경의 감각뉴런은 연합 뉴런과 척수에서 시냅스를 형성한다. 구심성 신경의 여러 감각 뉴런으로부터 온 활동전위들은 시냅스를 통해 합쳐지고 정보가 처리된다.
도 13의 (b)는 제조예 3에 따라 제조된 본 발명의 인공 신경계 장치를 나타낸다. 인공 신경계 장치는 인공 구심성 신경계 장치이며, 인공센서(33)로서 플렉서블 압력센서(flexible pressure sensor),
변환 소자인 제1 인공 뉴런 소자(37)로서 플렉서블 링 오실레이터(flexible ring oscillator), 및 인공 시냅스 소자(31)로서 플렉서블 시냅스 트랜지스터 (flexible synaptic transistor)를 포함한다. 도 13의 (a)와 (b)에서 같은 색깔로 된 단어들은 대응되는 부분이다.
도 14는 여러 개의 압력 센서(33)를 하나의 링 오실레이터(37)에 연결하거나, 여러 개여 링 오실레이터(37)를 하나의 시냅스 트랜지스터(31)와 연결한 인공 구심성 신경계 장치(30)를 나타낸다. 링 오실레이터(37)나 시냅스 트랜지스터(31)를 이용하여 신호를 합침으로써 정보 처리를 할 수 있다. 시냅스 트랜지스터(31)에 연결할 때에는 흥분성(excitatory) 연결이거나 억제성(inhibitatory) 연결일 수 있다.
도 15는 혼성 반사궁(hybrid reflex arc)을 나타낸다. 인공 구심성 신경계 장치(30)와 생물학적 원심성 신경(biological efferent nerve)으로 이루어진 혼성 반사궁을 나타낸다. 여러 곳으로부터 온 압력 자극은 인공 구심성 신경계 장치(31)를 통해 합쳐지고 시냅스 후 전류로 출력된다. 변환 소자(39)로서 전류-전압 증폭기(current-to-voltage amplifier)를 이용하여 시냅스 후 전류를 증폭한다. 기준 전극과 자극 전극을 곤충의 다리에 연결하고 전류-전압 증폭기를 통해 증폭된 신호를 연결한다. 증폭된 신호는 운동 뉴런과 근육(35)을 자극하여 움직임을 유발한다. 두 근육의 상쇄 작용을 막기위해 경골의 신근(tibial extensor muscle)이나 경골의 굴근(tibial flexor muscle) 둘 중 하나를 제거할 수도 있다.
플렉서블 압력 센서(33)는 두 전극 사이에 피라미드 모양의 탄성 혼합물을 이용하여 만들었다. 플렉서블 압력 센서(33)의 한 전극은 탄소나노튜브로 만들었다. 먼저 탄소나노튜브를 스프레이로 실리콘 기판 위에 뿌린다. 스타이렌-에틸렌-뷰타디엔-스타이렌(SEBS) 블록 공중합체 고분자를 톨루엔에 녹여 20mg/mL 용액을 만들고, 탄소나노튜브가 올라간 실리콘 기판 위에 스핀코팅하여 접착층으로 이용한다. 준비한 탄소나노튜브 전극을 80㎛ 두께의 SEBS 블록 공중합체 고분자 기판에 전사한다. 60 mg의 탄소나노튜브와 40mg의 폴리(3-헥실타이오핀-2,5-다일)을 30mL의 클로로폼에 초음파로 녹인다. 준비한 탄소나노튜브 용액을 원심분리기에서 분리한다. 탄소나노튜브 용액 1.2mL을 폴리우레탄을 클로로폼에 80mg/mL 농도로 녹인 용액 1g 과 섞어서 음각으로 피라미드 배열이 들어간 금형에 스핀코팅한다. 각각의 피라미드는 한 변이 60㎛이고, 피라미드 사이의 간격은 40㎛, 피라미드의 높이는 42.4㎛이다. 주조된 피라미드 배열을 앞서 준비한 탄소나노튜브 전극이 올라간 SEBS 블록 공중합체 고분자 기판에 전사한다. 1.8㎛ 두께의 폴리이미드 필름 위에 올라간 크롬 1nm와 금 40nm 필름을 압력 센서의 나머지 전극으로 이용한다.
플렉서블 링 오실레이터(37)는 홀수 개의 인버터를 피드백 연결하여 만든다. 플렉서블 링 오실레이터는 폴리이미드 기판 위에 준비한다. 폴리이미드 전구체 용액을 실리콘 기판 위에 스핀코팅하고 질소 분위기 오븐 안에서 섭씨 350도에 30분 동안 경화시켜 폴리이미드 기판을 만든다. 반응실 온도가 섭씨 200도에 맞춰진 원자층증착장비에서 물과 테트라키스(다이메틸아미도)하프늄 (IV) 전구체 들을 이용하여 5nm 두께의 산화 하프늄을 식각 방어층으로서 폴리이미드 기판 위에 증착한다. 사진석판술을 이용하여 2개층의 감광액을 형태화하고 그 위에 티타늄 20nm와 알루미늄 30nm 을 진공 증착한다. 감광액을 녹여내어 티타늄과 알루미늄을 형태화하여 게이트 전극으로 쓴다. 50nm의 산화 하프늄을 앞서와 같이 원자층증착장비에서 증착한다. 다음으로 7nm의 알루미늄 희생층을 증착한다. 감광액을 마스크로 이용하고 아르곤/사불화탄소/산소 플라즈마를 이용하여 산화 하프늄을 식각하고 비아를 형성한다. 감광액으로 크롬/금 (1nm/ 40nm) 소스/드레인 전극을 형상화한다. 그리고 음성 감광액을 형상화하여 반도체 분리체로 활용한다. 테트라메틸암모늄 하이드록사이드를 이용하여 알루미늄 희생층을 식각한다. 산소 플라즈마 식각을 하고, n-도데실포스포닉 에시드를 이소프로필 알코올에 녹인 2mM 용액에 12시간 이상 담근다. 그리고 2,3,4,5,6-펜타플로오로타이오핀을 이소프로필 알코올에 녹인 2mM 용액에 10분 간 담근다. 40nm 두께의 펜타신 박막을 섭씨 60도에서 샘플에 증착하고 유기물 반도체로 이용한다. 마지막으로 페릴린-C를 증착하여 패시베이션층으로 이용한다.
플렉서블 시냅스 트랜지스터(31)는 폴리이미드 기판 위에 준비한다. 폴리이미드 기판과 산화 하프늄 식각 방어층은 앞서 뉴런 소자와 동일하게 준비한다. 크롬/금 전극을 사진석판술을 이용하여 형상화하고 소스, 드레인, 게이트 전극으로 활용한다. 5mg의 공액 반도체 고분자를 1㎖의 클로로벤젠에 녹인다. 준비한 공액 고분자 용액을 앞서 준비한 샘플 위에 스핀코팅한다. 샘플을 상온에서 10분 건조한 뒤에 섭씨 60 도에서 1시간 동안 건조한다. 폴리스타이렌-블록-폴리(에틸렌 옥사이드)-블록-폴리스타이렌(PS-b-PEO-b-PS) 블록 공중합체, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 비스(트라이플루오로메틸설포닐)이미드, 아세트산 에틸을 0.7:9.3:90의 무게비로 섞어 녹여 이온젤 액체를 준비한다. 준비된 이온젤 액체를 앞서 준비한 공액 반도체 고분자 박막에 떨어뜨려 게이트 전극과 연결한다. 상온에서 진공을 이용해 12시간 동안 용매를 제거한다.
플렉서블 시냅스 트랜지스터(31)로부터 나오는 신호는 변환 소자(39)로 연결된다. 변환 소자(39)는 저항과 연산 증폭기로 구성되어 전기적 신호를 증폭한다. 변환 소자로 증폭된 전기적 신호는 곤충 다리에 연결된 두 전극에 가해진다.
<제조예 4>
본 발명의 일 실시예에 따라 인공 시냅스 소자를 포함하는 인공 시각 신경계 장치(40)를 제작하였다.
도 16은 본 발명의 제조예 4에 의해 제조된 인공 시각 신경계 장치(40)를 생물학적 시각 신경계와 비교해서 나타낸 도면이다.
도 16의 (a)는 빛 자극을 받은 생물학적 시각 신경을 나타낸다. 빛이 망막의시각수용기(원추세포(cone cells)와 간상세포(rod cells))에 흡수되면 시각수용기의 전위들이 변화한다. 시각수용기는 두극세포(bipolar cells)와의 시냅스에서 신경전달 물질의 분비를 억제하고, 두극세포와 신경절 세포(ganglion cells)의 시냅스에서 신경전달물질을 분비한다. 신경절 세포는 활동전위를 발생키며 시신경을 통해 뇌로 시각 신호를 전달한다.
도 16의 (b)는 제조예 4에 따라 제조된 본 발명의 인공 시각 신경계 장치(40)를 나타낸다. 인공 시각 신경계 장치(40)는, 인공센서(43)로서 포토디텍터, 변환 소자인 제1 인공 뉴런 소자(47)로서 유기물 링 오실레이터(organic ring oscillator), 및 인공 시냅스 소자(41)로서 트랜지스터(synaptic transistor)를 포함한다. 도 16의 (b)에서는 오직 하나의 링 오실레이터만 하나의 시냅스 트랜지스터에 연결되어 있지만 여러 개의 링 오실레이터들을 하나의 시냅스 트랜지스터에 연결할 수 있다. 마찬가지로 하나 혹은 여러 개의 포토디텍터를 하나의 링 오실레이터에 연결 할 수 있다. 시각 정보나 빛의 파장, 예를 들면 적색(620-750 nm), 녹색(495-570nm) 및 청색(450-495nm) 에 따라서 인공 시각 감각기관인 포토디텍터는 선택적으로 전기 신호를 발생시킬 수 있으며, 이를 위하여 색필터(color filter)를 사용하였다.
포토디텍터는 5W 적색 LED(660nm), 5W 녹색 LED(520nm) 및 5W 청색 LED(465nm)의 빛을 흡수하여 각각 0.8, 0.85, 0.9V의 전압을 형성하였고, 링 오실레이터를 통해 시냅스전 전압으로 시냅스 트랜지스터에 인가되어 서로 다른 시냅스 후 전류가 출력된다.
유기물 오실레이터는 폴리이미드 기판 위에 준비한다. 폴리이미드 전구체 용액을 실리콘 기판 위에 스핀코팅하고 질소 분위기 오븐 안에서 섭씨 350도에 30 분 동안 경화시켜 폴리이미드 기판을 만든다. 반응실 온도가 섭씨 200도에 맞춰진 원자층증착장비에서 물과 테트라키스(다이메틸아미도)하프늄 (IV) 전구체 들을 이용하여 5nm 두께의 산화 하프늄을 식각 방어층으로서 폴리이미드 기판 위에 증착한다. 사진석판술을 이용하여 2개층의 감광액을 형태화하고 그 위에 티타늄 20nm와 알루미늄 30nm 을 진공 증착한다. 감광액을 녹여내어 티타늄과 알루미늄을 형태화하여 게이트 전극으로 쓴다. 50nm의 산화 하프늄을 앞서와 같이 원자층증착장비에서 증착한다. 다음으로 7nm의 알루미늄 희생층을 증착한다. 감광액을 마스크로 이용하고 아르곤/사불화탄소/산소 플라즈마를 이용하여 산화 하프늄을 식각하고 비아를 형성한다. 감광액으로 크롬/금(1nm/40nm) 소스/드레인 전극을 형상화한다. 그리고 음성 감광액을 형상화하여 반도체 분리체로 활용한다. 테트라메틸암모늄 하이드록사이드를 이용하여 알루미늄 희생층을 식각한다. 산소 플라즈마 식각을 하고, n-도데실포스포닉 에시드를 이소프로필 알코올에 녹인 2mM 용액에 12시간 이상 담근다. 그리고 2,3,4,5,6-펜타플로오로타이오핀을 이소프로필 알코올에 녹인 2mM 용액에 10분 간 담근다. 40nm 두께의 펜타신 박막을 섭씨 60도에서 샘플에 증착하고 유기물 반도체로 이용한다. 마지막으로 페릴린-C를 증착하여 패시베이션층으로 이용한다.
시냅스 트랜지스터는 폴리이미드 기판 위에 준비한다. 폴리이미드 기판과 산화 하프늄 식각 방어층은 앞서 뉴런 소자와 동일하게 준비한다. 크롬/금 전극을 사진석판술을 이용하여 형상화하고 소스, 드레인, 게이트 전극으로 활용한다. 5mg의 공액 반도체 고분자를 1㎖의 클로로벤젠에 녹인다. 준비한 공액 고분자 용액을 앞서 준비한 샘플 위에 스핀코팅한다. 샘플을 상온에서 10분 건조한 뒤에 섭씨 60도에서 1시간 동안 건조한다. 폴리스타이렌-블록-폴리(에틸렌 옥사이드)-블록-폴리스타이렌(PS-b-PEO-b-PS) 블록 공중합체, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 비스(트라이플루오로메틸설포닐)이미드, 아세트산 에틸을 0.7:9.3:90의 무게비로 섞어 녹여 이온젤 액체를 준비한다. 준비된 이온젤 액체를 앞서 준비한 공액 반도체 고분자 박막에 떨어뜨려 게이트 전극과 연결한다. 상온에서 진공을 이용해 12시간 동안 용매를 제거한다.
<제조예 5>
본 발명의 일 실시예에 따라 인공 시냅스 소자를 포함하는 신경 보철 장치(50)를 제작하였다.
도 17은 본 발명의 제조예 5에 따라 제조된 신경 보철 장치(50)의 동작을 설명하기 위한 블록도이다. 제조예 5에 따라 제조된 신경 보철 장치(50)는 생체 근육 위 피부에 부착된 근전도 센서(53)의 전기 신호가 변환소자 또는 장치(57)를 통해서 인공 시냅스 소자(51)로 연결된다. 근육의 움직임에 따라서 근전도 센서(53)와 변환장치(57)는 생체활동전위를 모사하는 전기 신호를 발생시키고 인공 시냅스 소자(51)의 시냅스 전 활동전위로서 게이트 전극에 인가하여 시냅스 후 전류로 출력된다. 시냅스 후 전류는 변환 소자를 통해 증폭되고 운동 기관(55)인 인공 근육을 자극하여 움직임을 유발한다.
인공 시냅스 소자(51)는 기판(111), 기판(111) 상에 형성된 활성물질(113), 활성물질(113)에 전기적으로 연결된 2단자 이상의 전극(115), 및 활성물질 상에 배치된 유전층(117)을 포함한다.
활성물질(113)로서 유기 반도체 박막 및 유전층(117)으로서 이온성 유전체(1-Ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide), 골드 전극(115)을 이용한 유기 전기 화학적 트랜지스터 SiO2/Si 웨이퍼(기판, 111)에 형성하여 제작하였다. 유기 반도체 고분자 poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)(P3HT) 5mg을 Chlorobenzene 1ml에 용해시킨 용액을 이용하여 유기 반도체 박막을 형성하였다. 진공 열 증착법을 이용하여 40nm의 골드 소스 드레인 전극을 형성하였다. 이온성 유전체는 poly(styrene-b-methyl methacrylate-b-styrene)(PS-PMMA-PS) triblock 공중합체 고분자와 1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide ([EMI][TFSI]) 이온성 유전체가 ethyl acetate 용매에 0.7:9.3:90 질량비로 용해된 용액이 유기 반도체 박막 위에 형성되었고, 진공에서 건조되었다.
<제조예 6>
본 발명의 일 실시예에 따라 인공 시냅스 소자를 포함하는 신경 보철 장치(60)를 제작하였다.
도 18은 본 발명의 제조예 6에 따라 제조된 신경 보철 장치(60)의 동작을 설명하기 위한 블록도이다. 도 19은 본 발명의 제조예 6에 따라 제조된 신경 보철 장치(60)가 적용될 수 있는 운동 뉴런 질환을 설명하기 위한 예시도면이다. 제조예 6에 따라 제조된 신경 보철 장치(60)는 채널로돕신 광반응성 단백질을 이용하여 광유전학 기술로 빛에 반응하도록 조작된 생체 뇌세포가 청색광에 의해서 발생하는 생체활동전위(63)가 클램프와 변환 소자 또는 장치(67)를 통해서 인공 시냅스 소자(61)로 연결된다. 빛의 조사에 의해서 발생하는 생체활동전위를 인공 시냅스 소자(61)의 시냅스 전 활동전위로서 게이트 전극에 인가하여 시냅스 후 전류로 출력된다. 시냅스 후 전류는 변환 소자(69)를 통해 증폭되고 상부 운동 뉴런과 하부 운동 뉴런 및 시냅스가 손상된 쥐 다리의 생물학적 근육(65)을 자극하여 움직임을 유발하는 신경 보철 장치가 제작된다.
인공 시냅스 소자(61)는 기판(111), 기판(111) 상에 형성된 활성물질(113), 활성물질(113)에 전기적으로 연결된 2단자 이상의 전극(115), 및 활성물질 상에 배치된 유전층(117)을 포함한다.
활성물질(113)로서 유기 반도체 박막 및 유전층(117)으로서 이온성 유전체(1-Ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide), 골드 전극(115)을 이용한 유기 전기 화학적 트랜지스터 SiO2/Si 웨이퍼(기판, 111)에 형성하여 제작하였다. 유기 반도체 고분자 poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)(P3HT) 5mg을 Chlorobenzene 1ml에 용해시킨 용액을 이용하여 유기 반도체 박막을 형성하였다. 진공 열 증착법을 이용하여 40nm의 골드 소스 드레인 전극을 형성하였다. 이온성 유전체는 poly(styrene-b-methyl methacrylate-b-styrene)(PS-PMMA-PS) triblock 공중합체 고분자와 1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide ([EMI][TFSI]) 이온성 유전체가 ethyl acetate 용매에 0.7:9.3:90 질량비로 용해된 용액이 유기 반도체 박막 위에 형성되었고, 진공에서 건조되었다.
<제조예 7>
본 발명의 일 실시예에 따라 인공 시냅스 소자를 포함하는 신경 보철 장치(70)를 제작하였다.
도 20은 본 발명의 제조예 7에 따라 제조된 신경 보철 장치(70)의 동작을 설명하기 위한 블록도이다. 도 21은 본 발명의 제조예 7에 따라 제조된 신경 보철 장치(70)가 적용될 수 있는 운동 뉴런 질환을 설명하기 위한 예시도면이다. 제조예 7에 따라 제조된 신경 보철 장치(70)는 생체 상부 운동 뉴런에 부착된 전도 센서(73)의 전기 신호가 변환 소자 또는 장치(77)를 통해서 인공 시냅스 소자(71)로 연결된다. 상부 운동 뉴런의 활동전위에 따라서 전도 센서(73)와 변환 장치(77)는 생체활동전위를 모사하는 전기 신호를 발생시키고 인공 시냅스 소자(71)의 시냅스 전 활동전위로서 게이트 전극에 인가하여 시냅스 후 전류로 출력된다. 시냅스 후 전류는 변환 소자(79)를 통해 증폭되고 하부 운동 뉴런과 시냅스가 손상된 쥐 다리의 생물학적 근육(75)을 자극하여 움직임을 유발하는 신경 보철 장치(70)가 제작된다.
인공 시냅스 소자(21)는 기판(111), 기판(111) 상에 형성된 활성물질(113), 활성물질(113)에 전기적으로 연결된 2단자 이상의 전극(115), 및 활성물질(113) 상에 배치된 유전층(117)을 포함한다.
활성물질(113)로서 유기 반도체 박막 및 유전층(117)으로서 이온성 유전체(1-Ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide), 골드 전극(115)을 이용한 유기 전기 화학적 트랜지스터 SiO2/Si 웨이퍼(기판, 111)에 형성하여 제작하였다. 유기 반도체 고분자 poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)(P3HT) 5mg을 Chlorobenzene 1ml에 용해시킨 용액을 이용하여 유기 반도체 박막을 형성하였다. 진공 열 증착법을 이용하여 40nm의 골드 소스 드레인 전극을 형성하였다. 이온성 유전체는 poly(styrene-b-methyl methacrylate-b-styrene)(PS-PMMA-PS) triblock 공중합체 고분자와 1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide([EMI][TFSI]) 이온성 유전체가 ethyl acetate 용매에 0.7:9.3:90 질량비로 용해된 용액이 유기 반도체 박막 위에 형성되었고, 진공에서 건조되었다.
이상, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다.
10: 인공 신경계 장치, 30: 인공 구심성 신경계 장치, 40: 인공 시각 신경계 장치, 50, 60, 70: 신경 보철 장치, 11, 21, 31, 41, 51, 61, 71: 인공 시냅스 소자, 13, 23, 33, 43, 53, 73: 센서, 15, 35, 55: 운동 기관, 17, 19, 37, 39, 747, 57, 67, 69, 77, 79: 변환 소자, 111: 기판, 113: 활성물질, 115: 전극, 117: 유전층
Claims (44)
- 시냅스 전 신호가 입력되면 입력된 상기 시냅스 전 신호에 따른 시냅스 후 신호를 출력하는 적어도 하나의 비실리콘 반도체 재료로 이루어진 인공 시냅스 소자를 포함하고 감각 신경과 운동 신경 중 적어도 하나를 모방하는 것을 특징으로 하는 인공 신경계 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 적어도 하나의 인공 시냅스 소자로 입력되는 상기 시냅스 전 신호를 생성하기 위한 적어도 하나의 인공 센서를 포함하거나 인공 센서에서 나오는 신호를 시냅스 전 신호로 변환시키는 소자를 더 포함하는 것을 특징으로하는 인공 신경계 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 적어도 하나의 인공 시냅스 소자에 생체 기관이 연결되어 상기 생체 기관으로부터 생성된 생체 신호인 시냅스 전 신호 또는 해당 생체 신호로부터 변환된 시냅스 전 신호가 입력되는 것인 인공 신경계 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 적어도 하나의 인공 시냅스 소자로부터 출력되는 시냅스 후 신호에 따라 동작하는 적어도 하나의 인공 운동 기관을 더 포함하는 것인 인공 신경계 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 적어도 하나의 인공 시냅스 소자는 생체 기관 앞에 연결되어 상기 생체 기관으로 시냅스 후 신호를 출력하는 것인 인공 신경계 장치.
- 청구항 1 내지 5 중 어느 하나에 있어서,
상기 적어도 하나의 인공 시냅스 소자 각각은 활성물질과 2단자 이상의 전극을 포함하는 것인 인공 신경계 장치.
- 청구항 6에 있어서,
상기 적어도 하나의 인공 시냅스 소자 각각은 상기 활성물질 상에 형성되는 이온성 유전층과 상기 이온성 유전층 상에 배치되는 게이트 전극을 포함하는 3단자 이상의 트랜지스터형이고,
상기 전극으로 상기 시냅스 전 신호가 입력되는 것인 인공 신경계 장치.
- 청구항 7에 있어서,
상기 활성물질은 유기 재료, 금속 산화물 재료, 상변화 합금 재료, 탄소 나노재료, 질화물 재료, 격자상 2차원 재료, 페로브스카이트 구조를 가지는 재료, 금속 나노재료, 나노 입자, 양자점, 판상형 입자, 나노선, 이온성 유전체 재료 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것인 인공 신경계 장치.
- 청구항 8에 있어서,
상기 유기 재료는 PEO(Polyethylene oxide), PS(Polystyrene), PCL(Polycaprolactone), PAN(Polyacrylonitrile), PMMA(Poly(methyl methacrylate)), 폴리이미드(Polyimide), PVDF(Poly(vinylidene fluoride)), PVC(Polyvinylchloride) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 재료, 유기 저분자 반도체, 유기 고분자 반도체, 전도성 고분자, 절연성 고분자 또는 이들의 혼합물을 포함하며,
상기 유기 저분자 반도체는 펜타센(Pentacene), TIPS-펜타센(6,13-bis(triisopropylsilylethynyl) pentacene), 루브렌(Rubrene), 테트라센(Tetracene), 안트라센(Anthracene), TES ADT((triethylsilylethynyl anthradithiophene), PCBM([6,6]-phenyl C61 butyric acid methyl ester)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나이고,
상기 유기 고분자 반도체는 polythiophene, P3HT(Poly(3-hexylthiophene)), P3OT(poly 3-octlythiophene), PBT(poly butylthiopehene), PEDOT(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)), PVK(Poly(9-vinylcarbazole)), 폴리(p-페닐렌 비닐렌)(poly(p-phenylene vinylene), PTV(poly(thienylene vinylene)), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리플루오렌(polyfluorene), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤 (polypyrrole), 디케토피롤로피롤(Diketopyrrolopyrrole) 기반의 공중합체, 이소인디고(isoindigo) 기반의 공중합체, 및 이들의 유도체로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나인 인공 신경계 장치.
- 청구항 8에 있어서,
상기 금속 산화물 재료는 텅스텐산화물, 인듐산화물, 알루미늄산화물, 티타늄산화물, 코발트산화물, 바나듐산화물, 구리산화물, 니켈산화물, 철산화물, 크롬산화물, 물리브데늄산화물, 마그네슘산화물, 주석산화물, 철산화물, 아연산화물, 은산화물 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것인 인공 신경계 장치.
- 청구항 8에 있어서,
상기 상변화 합금 재료는 셀레늄(Se), 텔루륨(Te)을 포함하는 16족의 칼코겐 원소, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것인 인공 신경계 장치.
- 청구항 8에 있어서,
상기 탄소 나노재료는 탄소나노튜브, 그래핀, 환원된 그래핀 산화물, 그래핀 양자점, 그래핀 나노리본, 비정질 탄소 그라파이트, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것인 인공 신경계 장치.
- 청구항 8에 있어서,
상기 격자상 2차원 재료는 붕소, 탄소, 질소, 육방정계 질화붕소, 게르마늄, 황, 인, 몰리브덴, 주석, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것인 인공 신경계 장치.
- 청구항 8에 있어서,
상기 질화물 재료는 질화탄소, 질화 알루미늄, 질화 갈륨, 질화 인듐, 질화 티타늄, 질화 크롬 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것인 인공 신경계 장치.
- 청구항 8에 있어서,
상기 페로브스카이트 재료는 무기 금속 산화물, 무기 금속 할라이드, 유무기 금속 할라이드, 이들의 합금 및 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것인 인공 신경계 장치.
- 청구항 8에 있어서,
상기 금속 나노재료는 나노 크기의 입자, 플레이크, 와이어, 리본, 막대 형태를 갖는 금속 또는 금속 산화물 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것인 인공 신경계 장치.
- 청구항 7에 있어서,
상기 이 유전체 재료는 이온을 포함하는 금속, 세라믹, 고분자, 반도체, 유전체 재료를 포함하며, 1-Ethyl-3-methylimidazolium, 1-Butyl-3-methylimidazolium, Methyl-tributylammonium, 1,2,3-Trimethylimidazolium, Methylimidazolium, 1-Ethyl-2,3-dimethylimidazolium, 1-Butyl-2,3-dimethylimidazolium, 1-Dodecyl-3-methylimidazolium, 1-Butyl-1-methylpyrrolidinium, N-Methyl-N-trioctylammonium, N-Butyl-N-methylpyrrolidinium, Triethylsulphonium, Tetraethylammonium, Tetrabutylphosphonium, Methyltrioctylammonium, 3-Methyl-1-propylpyridinium, 1,2-Dimethyl-3-propylimidazolium, 1-Hexyl-3-methylimidazolium, 1-Methyl-3-octylimidazolium, 1-Butyl-4-methylpyridinium, 1,3-Dimethylimidazolium, 4-(3-Butyl-1-imidazolio)-1-butanesulfonic acid, 3-(Triphenylphosphonio)propane-1-sulfonic acid, 1-Allyl-3-methylimidazolium, 1-Butyl-1-(3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8-tridecafluorooctyl)-imidazolium, 1-Methyl-3-(3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8-tridecafluoro-octyl)-imidazolium, chloride, methanesulfonate, methylsulfate, hydrogensulfate, tetrachloroaluminate, acetate, methyl sulfate, thiocyanate, ethyl sulfate, tetrafluoroborate, dicyanamide, hexafluoroantimonate, hexafluorophosphate, bis(trifluoromethyl sulfonyl)imide, trifluoromethane sulfonate, iodide, nitrate, bromide, bis(pentafluoroethylsulfonyl)-imide, tosylate, octyl sulfate, bis(2,4,4-trimethyl-pentyl)phosphinate, decanoate, thiosalicylate, triflate2-(2-methoxyethoxy)-ethyl sulfate, nonafluorobutanesulfonate, benzoate, heptadecafluorooctanesulfonate 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것인 인공 신경계 장치.
- 청구항 6에 있어서,
상기 적어도 하나의 인공 시냅스 소자는 입력 또는 출력에 전기신호를 이용하는 것인 인공 신경계 장치.
- 청구항 6에 있어서,
상기 적어도 하나의 인공 시냅스 소자는 입력 또는 출력에 이온의 이동을 이용하는 것인, 인공 신경계 장치.
- 청구항 6에 있어서,
상기 적어도 하나의 인공 시냅스 소자의 구조는 트랜지스터, 다이오드, 저항, 축전기, 유도자, 이온 펌프, 이온성 전지로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 인공 신경계 장치.
- 청구항 6에 있어서,
상기 적어도 하나의 인공 시냅스 소자는 플래쉬 메모리, 멤리스터, 저항 메모리, 자기 저항 메모리, 상변화 메모리 및 자성 메모리로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것인 인공 신경계 장치.
- 청구항 7에 있어서,
상기 적어도 하나의 인공 시냅스 소자 각각은 기판을 포함하고,
상기 기판은 크롬, 알루미늄, 철 및 스테인리스스틸을 포함하는 군으로부터 선택되는 전도체 재료, 게르마늄, 실리콘 및 갈륨아세나이드를 포함하는 군으로부터 선택되는 반도체 재료, 유리, 사파이어, 종이, 플라스틱 필름을 포함하는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 절연체를 포함하는 것인 인공 신경계 장치.
- 청구항 7에 있어서,
상기 적어도 하나의 인공 시냅스 소자 각각은 기판을 포함하고,
상기 기판은 폴리이미드, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리아크릴레이트, 폴리에테르술폰, 폴리프로필렌, 폴리디메틸실록산, 폴리메틸페닐실록산, 폴리디페닐실록산, 폴리실록산, 폴레우레탄, 폴리스타이렌, 스타이렌부타디엔 공중합체, 폴리스타이렌 공중합체, 에코플렉스로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 유연성 및 신축성 재료를 포함하는 것인 인공 신경계 장치.
- 청구항 2에 있어서,
상기 적어도 하나의 인공 센서에서 나오는 전기 신호를 상기 적어도 하나의 인공 시냅스 소자에 입력되기 적합한 신호로 변환하는 적어도 하나의 제1 인공 뉴런 소자를 포함하고,
상기 적어도 하나의 제1 인공 뉴런 소자로부터 나오는 신호가 상기 적어도 하나의 인공 시냅스 소자로 입력되는 것인 인공 신경계 장치.
- 청구항 24에 있어서,
상기 적어도 하나의 제1 인공 뉴런 소자는 트랜지스터(transistor), 다이오드(diode), 저항(resistor), 축전기(capacitor/condenser), 유도자(inductor), 전압원(voltage generator), 전류원(current generator), 압전 결정(piezoelectric crystal), 부성저항 장치(negative resistance), 버랙터(varactor), 인버터(inverter), 슈미트 트리거(Schmitt trigger), 래치(latch), 비교기(comparator), 계전기(relay), 증폭기(amplifier), 연산 증폭기(operational amplifier), 오실레이터(oscillator), 엣지디텍터(edge detector)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것인 인공 신경계 장치.
- 청구항 2에 있어서,
상기 적어도 하나의 인공 센서는 외부의 빛, 압력, 촉각, 마찰, 소리, 진동, 또는 열을 감지하여 전기신호로 변환하는 센서를 포함하는 것인 인공 신경계 장치.
- 청구항 2에 있어서,
상기 적어도 하나의 인공 센서는 가스, 온도, 및 습도를 포함하는 화학적 또는 환경적 변화를 감지하여 전기신호로 변환하는 센서를 포함하는 것인 인공 신경계 장치.
- 청구항 2 또는 3에 있어서,
상기 적어도 하나의 인공 센서는 생체의 근전도 신호, 뇌전도 신호, 수용기 전위, 및 활동 전위를 포함하는 생체신호를 감지하여 전기신호로 변환하는 센서를 포함하는 것인 인공 신경계 장치.
- 청구항 2에 있어서,
상기 적어도 하나의 인공 센서는 외부의 빛을 감지하기 위한 포토디텍터, 포토트랜지스터, 태양전지, 및 포토다이오드로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것인 인공 신경계 장치.
- 청구항 2에 있어서,
상기 적어도 하나의 인공 센서는 외부의 압력 자극을 감지하기 위한 압저항형 압력센서, 압전형 압력센서, 마찰전기형 압력센서, 및 정전용량형 압력센서로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것인 인공 신경계 장치.
- 청구항 2에 있어서,
상기 적어도 하나의 인공 센서는 외부의 소리 자극을 감지하기 위한 압전형 청각센서, 정전용량형 청각센서, 및 마찰전기형 청각센서로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것인 인공 신경계 장치.
- 청구항 2에 있어서,
상기 적어도 하나의 인공 센서는 외부의 가스 및 액체의 화학적 자극을 감지하기 위한 가스센서, PH센서, 및 액체센서로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 인공 신경계 장치.
- 청구항 2에 있어서,
상기 적어도 하나의 인공 센서는 외부의 열 자극을 감지하기 위한 열전센서, 열저항형센서, 초전체센서, 서미스터, 서모커플, 및 서모파일로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 인공 신경계 장치.
- 청구항 2에 있어서,
상기 적어도 하나의 인공 센서에서 출력되는 화학적 또는 전기적 신호가 상기 적어도 하나의 인공 시냅스 소자로 입력되는 것인 인공 신경계 장치.
- 청구항 3에 있어서,
상기 생체 기관은 상피세포, 근육세포, 신경세포, 섬유아세포, 생식세포, 골세포, 연골세포, 면역세포, 분비세포, 지방세포, 혈세포, 감각뉴런, 촉각세포, 시각세포, 청각세포, 후각세포, 미각세포, 통각세포, 운동 뉴런, 근육 섬유, 신경근 접합부, 및 신체 운동 단위로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것인 인공 신경계 장치.
- 청구항 3에 있어서,
상기 생체 기관에서 나오는 화학적 또는 전기적 신호가 상기 적어도 하나의 인공 시냅스 소자로 입력되는 것인 인공 신경계 장치.
- 청구항 3에 있어서,
상기 생체 기관에서 나오는 화학적 또는 전기적 신호를 상기 적어도 하나의 인공 시냅스 소자에 입력되기 적합한 신호로 변환하는 적어도 하나의 제2 인공 뉴런 소자를 포함하고,
상기 적어도 하나의 제2 인공 뉴런 소자로부터 나오는 신호가 상기 적어도 하나의 인공 시냅스 소자로 입력되는 것인 인공 신경계 장치.
- 청구항 4에 있어서,
상기 적어도 하나의 인공 운동 기관은 압력 또는 전기로 구동되는 액추에이터, 모터, 및 와이어로 이루어진 군 혹은 소프트 로봇, 신경보철, 보철로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것인 인공 신경계 장치.
- 청구항 4에 있어서,
상기 적어도 하나의 인공 운동 기관은 생체 근육 섬유, 생체 운동 단위, 생체 운동 뉴런, 및 생체 신경근 접합부로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것인 인공 신경계 장치.
- 청구항 4에 있어서,
상기 적어도 하나의 인공 시냅스 소자에서 출력되는 전기신호가 상기 적어도 하나의 운동 기관으로 입력되는 것인 인공 신경계 장치.
- 청구항 4에 있어서,
상기 적어도 하나의 인공 시냅스 소자에서 출력되는 전기신호를 변환하여 상기 적어도 하나의 운동 기관에 입력되기 적합한 신호로 변환하는 적어도 하나의 제3 인공 뉴런 소자를 더 포함하고,
상기 적어도 하나의 제3 인공 뉴런 소자로부터 나오는 신호가 상기 적어도 하나의 운동 기관에 입력되는 것인 인공 신경계 장치.
- 청구항 5에 있어서,
상기 적어도 하나의 인공 시냅스 소자에서 출력되는 전기신호가 상기 적어도 하나의 생체 기관으로 입력되는 것인 인공 신경계 장치.
- 청구항 5에 있어서,
상기 적어도 하나의 인공 시냅스 소자에서 출력되는 전기신호를 변환하여 상기 생체 기관에 입력되기 적합한 신호로 변환하는 제4 인공 뉴런 소자를 포함하고,
상기 제4 인공 뉴런 소자로부터 나오는 신호가 상기 생체 기관에 입력되는 것인 인공 신경계 장치.
- 청구항 37, 41, 또는 43에 있어서,
상기 적어도 하나의 제2, 제3, 제4 인공 뉴런 소자는 트랜지스터(transistor), 다이오드(diode), 저항(resistor), 축전기(capacitor/condenser), 유도자(inductor), 전압원(voltage generator), 전류원(current generator), 압전 결정(piezoelectric crystal), 부성저항 장치(negative resistance), 버랙터(varactor), 인버터(inverter), 슈미트 트리거(Schmitt trigger), 래치(latch), 비교기(comparator), 계전기(relay), 증폭기(amplifier), 연산 증폭기(operational amplifier), 오실레이터(oscillator), 엣지디텍터(edge detector)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것인 인공 신경계 장치.
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