WO2018038546A1 - 조건 반사 동작을 수행하는 신경 소자 및 이의 구동 방법 - Google Patents

조건 반사 동작을 수행하는 신경 소자 및 이의 구동 방법 Download PDF

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WO2018038546A1
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김태환
우차오싱
이대욱
최환영
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    • G06N3/08—Learning methods

Definitions

  • the present invention relates to a neural device and a driving method thereof, and more particularly, to a neural device and a driving method thereof capable of reacting according to a repeated condition signal.
  • Neural network devices which are currently being considered for artificial intelligence, are devices that mimic the body's neurotransmission system.
  • the neurotransmitter system is composed of neurons and synapses, and when a stimulus is input over a certain range, the neuron produces an output corresponding to the input of the stimulus, and the synapse transmits signals to other neurons with respect to the output of repeated neurons. Perform.
  • the neural device that mimics a neuron generates a corresponding output when a stimulus or more than a predetermined range is applied or when a stimulus is input a specific number of times.
  • the nerve element that mimics the synapse has the characteristic that the impedance is changed to the stimulus applied continuously.
  • Korean Unexamined Patent Publication No. 2016-0056816 discloses a neuromimetic device having an excitatory or inhibitory function.
  • This discloses a synaptic mimic device, and has a structure in which two nMOSs are connected in series to apply a program voltage to two lower electrodes, thereby changing the threshold voltage of each channel.
  • the excitation or suppression function may be defined by a bias applied to the upper electrode, and since the excitation or suppression function is implemented in series connection structure, the excitation or suppression function is implemented according to the bias condition applied to the upper electrode.
  • Korean Patent No. 1537433 discloses a memristor device.
  • the memristor element is composed of a resistance change memory and a Schottky diode. They are arranged in a parallel structure with each other and can selectively operate as a memory or a diode.
  • the above patents have a disadvantage in that they cannot be implemented appropriately for the characteristics of the operation of the neural elements, and due to the complicated structure, the processing or response of the applied signal may not be uniform and may cause a change in the characteristic value.
  • the manufacturing cost may increase due to a feature that includes a plurality of functions.
  • the first technical problem to be achieved by the present invention is to provide a neural device having a learning function for the conditional stimulus.
  • a second technical problem of the present invention is to provide a method of driving a neural device according to the first technical problem.
  • the present invention for achieving the first technical problem, the lower electrode; A quantum dot formed on the lower electrode; A polymer insulating layer filling the space between the quantum dots; And an upper electrode formed on the quantum dot or the polymer insulating layer.
  • the present invention for achieving the second technical problem, in the driving method of the neural device having a quantum dot and the polymer insulating layer between the upper electrode and the lower electrode, by applying a positive voltage difference between the upper electrode and the lower electrode Forming a conductive filament at an interface between the quantum dot and the polymer insulating layer to enter the neural device into a low resistance state; Removing a conductive filament adjacent to the upper electrode by applying a negative voltage difference between the upper electrode and the lower electrode; And accumulating a conductive filament removed adjacent to the upper electrode by alternately applying a positive voltage difference and a negative voltage difference between the upper electrode and the lower electrode.
  • a positive pulse corresponding to an unconditional stimulus and a negative pulse corresponding to a conditional stimulus are repeatedly applied.
  • the state of low resistance is maintained upon application of a positive pulse, which is an unconditional stimulus signal
  • the state of high resistance when a negative pulse is applied, which is a conditional stimulus signal.
  • the neural device learns it and transitions to a low resistance state as indicated by the application of the unconditional stimulus signal.
  • the neuron device can be utilized, and the neuron device can be realized through a simpler structure.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a neural device according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 to 6 are cross-sectional views illustrating the operation of the neural device of FIG. 1 according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 to 9 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing the neural device of FIG. 1 according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a graph showing the response characteristics for explaining the operation of the neural device manufactured according to the preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a neural device according to a preferred embodiment of the present invention.
  • the neural device includes a lower electrode 100, a quantum dot 120, a polymer insulating layer 140, and an upper electrode 160.
  • the lower electrode 100 may be made of a conductive metal or a conductive oxide, for example, ITO may be used.
  • the lower electrode may have a material such as Au, Pt, Cr, Ni, Al, Cu, Ag, Au, Ni, Zn, Cd, Pd Ti, AlZnO, or ITO.
  • the current flowing through the lower electrode 100 forms an output signal.
  • a quantum dot 120 is formed on the lower electrode 100, and preferably, a quantum dot structure of Al 2 O 3 is formed.
  • the quantum dot 120 may be formed by forming an Al layer of a thin thin film on the lower substrate 100, and obtaining a structure of Al 2 O 3 regularly arranged through heat treatment in an oxygen atmosphere.
  • the polymer insulating layer 140 is formed in the spaced space between the quantum dots 120.
  • the polymer insulating layer 140 is formed on the side or the top of the quantum dot 120, the quantum dot 120 is not formed, it may be formed on the lower electrode 100 exposed surface.
  • filament formation and disappearance of metal atoms occurs through the interface between the quantum dot 120 and the polymer insulating layer 140. That is, the interface between the quantum dot 120 and the polymer insulating layer 140 serves as a channel for filament formation made of metal atoms.
  • the polymer insulating layer 140 preferably has a polyimide.
  • An upper electrode 160 is formed on the quantum dot 120 or the polymer insulating layer 140.
  • the upper electrode 160 is preferably formed of a metal material, and is selected as a material capable of supplying metal atoms to an interface of the polymer insulating layer 140.
  • the upper electrode 160 may have Cu, Ag, Au, Ni, Zn, Cd, Pd, or an alloy thereof.
  • a portion of the quantum dot 120 is preferably formed in contact with the upper electrode 160.
  • an interface between the quantum dot 120 and the polymer insulating layer 140 is formed between the upper electrode 160 and the lower electrode 100, and resistance may be controlled through formation and disappearance of conductive filaments formed at the interface. .
  • FIG. 2 to 6 are cross-sectional views illustrating the operation of the neural device of FIG. 1 according to a preferred embodiment of the present invention.
  • the lower electrode 100 is made of ITO
  • the quantum dot 120 is made of Al 2 O 3
  • the polymer insulating layer 140 is made of polyimide
  • the upper electrode 160 is made of Ag.
  • a positive voltage is applied to the upper electrode 160, and a negative voltage or a ground voltage is applied to the lower electrode 100. That is, a positive voltage difference V is applied between the upper electrode 160 and the lower electrode 100.
  • Ag constituting the upper electrode 160 is ionized to Ag + by the positive voltage applied to the upper electrode 160. That is, the oxidation of Ag occurs in the upper electrode 160 by the positive voltage applied.
  • Ag cations generated in the upper electrode 160 are moved to the lower electrode by a negative voltage or a ground voltage applied to the lower electrode 100.
  • Ag cations move to the lower electrode 100 due to a positive potential difference applied between the upper electrode 160 and the lower electrode 100.
  • the movement of the Ag cations occurs through the interface 130 between the quantum dot 120 and the polymer insulating layer 140. Since the quantum dot 120 has an oxide composition, the movement of metal ions through the quantum dot is not easy.
  • the polymer insulating layer 140 is practically impossible to move metal ions due to the polymer chain structure interconnected and bonded therein.
  • the interface 130 between the quantum dot 120 and the polymer insulating layer 140 may be a mobile channel of metal ions because only weak bonding or physical bonding is performed.
  • Ag cations move through the interface 130 of the quantum dot 120 and the polymer insulating layer 140 by the negative voltage applied from the lower electrode 100, and move to the lower electrode 100. Ag cations in the lower electrode 100 are reduced and appear as Ag metal. That is, Ag metal atoms are accumulated from the lower electrode 100 at the interface 130 between the quantum dot 120 and the polymer insulating layer 140.
  • the filament of Ag metal which is a conductive channel from the lower electrode 100 to the upper electrode 160, is formed. Is formed. Therefore, a phenomenon in which the resistance between the upper electrode 160 and the lower electrode 100 decreases occurs.
  • a negative voltage or a ground voltage is applied to the upper electrode 160, and a positive voltage is applied to the lower electrode 100. That is, a negative voltage difference is generated between the upper electrode 160 and the lower electrode 100, and the Ag metal atoms constituting the conductive filament disappear from a region close to the upper electrode 160. That is, Ag metal atoms are oxidized to cations through the interface 130 of the quantum dot 120 and the polymer insulating layer 140 and move to the upper electrode 160.
  • a positive voltage difference is again applied between both electrodes. That is, the upper electrode 160 has a high voltage, and the lower electrode 100 has a low voltage.
  • the conductive filaments as described in FIG. 3 are formed at the interface 130 between the quantum dot 120 and the polymer insulating layer 140 by the voltage difference applied.
  • the formation of the conductive filaments in FIG. 5 is based on the remaining conductive filaments in FIG. 4, the number of Ag metal atoms forming the conductive filaments increases, thereby forming a conductive filament having a higher density.
  • a positive voltage is applied to the lower electrode 100, and a negative voltage or a ground voltage is applied to the upper electrode 160. Therefore, a voltage difference of ( ⁇ ) is applied between the upper electrode 160 and the lower electrode 100.
  • a negative voltage difference is applied, the Ag metal atoms forming the conductive filaments migrate to the upper electrode 160 in the form of metal cations.
  • the conductive filament is maintained for a certain period of time when a negative voltage difference is applied. Therefore, the neural element maintains a low resistance state even in the case where a negative voltage bias is applied.
  • FIG. 7 to 9 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing the neural device of FIG. 1 according to a preferred embodiment of the present invention.
  • the metal thin film 110 is formed on the lower electrode 100.
  • the lower electrode 100 may have a material such as Au, Pt, Cr, Ni, Al, Cu, Ag, Au, Ni, Zn, Cd, Pd Ti, AlZnO, or ITO.
  • the metal thin film 110 may be made of Al.
  • a 5 nm Al film may be formed on the lower substrate 100 through thermal deposition.
  • the metal thin film 110 is formed of a quantum dot 120 on the lower electrode 100.
  • the metal thin film 110 is formed of the quantum dots 120 of Al 2 O 3.
  • the size of the quantum dot 120 is preferably set to 5nm to 10nm. That is, the diameter of the quantum dot 120 may be set to 5nm to 10nm.
  • the diameter of the quantum dot 120 is less than 5 nm, it becomes substantially difficult to form the quantum dot 120 through heat treatment, and when the diameter of the quantum dot 120 exceeds 10 nm, the heat treatment for forming the quantum dot 120 The problem is that the temperature rises, the heat treatment time increases, and the productivity decreases. In addition, when the heat treatment temperature is less than 300 °C, it is difficult to obtain a sufficient melting of the Al metal thin film, when the heat treatment temperature exceeds 400 °C, the Al metal thin film is excessively melted to form a quantum dot 120 of the desired size Is generated.
  • the Al metal thin film When the heat treatment is performed in an oxygen atmosphere on the Al metal thin film, the Al metal thin film is partially melted, or is combined with oxygen to form Al 2 O 3. In addition, the formed Al 2 O 3 particles act as a nucleus of growth, so that the Al 2 O 3 formed thereafter aggregates to the formed Al 2 O 3. Through this, the regularly arranged quantum dots of Al 2 O 3 can be obtained. Also, the Al metal thin film is formed of the quantum dots 120 of Al 2 O 3, and the lower electrode 100 of the region where the quantum dots are not formed is exposed due to the aggregation phenomenon.
  • the space between the quantum dots 120 is filled with the polymer insulating layer 140.
  • a polyimide precursor is used to form the polymer insulating layer 140 and may be formed through a coating process.
  • the solvent used as the polyimide precursor used is N-methyl-2-pyrrolidone, in which polyamic acid of p-phenylene biphenyltetracarboximide (BPDA-PDA) is dissolved.
  • BPDA-PDA polyamic acid of p-phenylene biphenyltetracarboximide
  • the polymer insulating layer 140 may be formed through heat treatment.
  • the upper electrode 160 is formed on the polymer insulating layer 140.
  • the upper electrode 160 may be Cu, Ag, Au, Ni, Zn, Cd, Pd, or an alloy thereof.
  • the upper electrode 160 supplies metal ions to form conductive filaments.
  • the upper electrode 160 may be formed through a conventional thermal deposition method.
  • the upper electrode 160 may be formed in contact with a portion of the upper surface of the quantum dot 120 and the polymer insulating layer 140.
  • FIG. 10 is a graph showing the response characteristics for explaining the operation of the neural device manufactured according to the preferred embodiment of the present invention.
  • ITO is used as the lower electrode and Ag is used as the upper electrode.
  • the quantum dots are made of Al 2 O 3, and polyimide is used as the polymer insulating layer.
  • the thermally deposited Al metal thin film is annealed at 350 ° C. for 1 hour in an oxygen atmosphere to form quantum dots.
  • the polyimide precursor used is N-methyl-2-pyrrolidone, in which polyamic acid of p-phenylene biphenyltetracarboximide (BPDA-PDA) is dissolved and spin-coated at a speed of 7800 rpm.
  • the pulse signal is alternately applied between the upper electrode and the lower electrode to the neural device manufactured through the above-described process. For example, a pulse of + 5V and -5V are alternately applied between the upper electrode and the lower electrode, and the current flowing through the lower electrode is measured.
  • the current flowing out from the lower electrode is set to (+), and the current flowing into the lower electrode is defined as (-).
  • each pulse is defined as having a pulse width of 10 nsec.
  • the current measured at the lower electrode increases due to the formation of the conductive filament, and thus the neural device is in a low resistance state.
  • the current measured at the lower electrode is insignificant due to the disappearance of the conductive filament at the beginning of the pulse of -5V.
  • the output signal changes when the voltages of + 5V and -5V are repeatedly applied, and the negative output current level gradually saturates to a constant value according to the number of applied pulses, and the positive output current level indicates a stable high current state. Keep it.
  • the above-described operation may be interpreted as a pathway of neurons for an input signal including an unconditional stimulus and a conditional stimulus. That is, one pulse having a size of 5V may be defined as an unconditional stimulus, and one pulse having a size of ⁇ 5V may be defined as a conditional stimulus.
  • the output current for each pulse is represented by a conditional response and an unconditional response.
  • the 5V pulse is an unconditional stimulus (feeding stimulus), which is applied to the nerve element, and the pulse of -5V can also be set as a conditional stimulus (stimulation like a bell). If a continuous conditional stimulus, which is a training course, is applied and the number of trainings is increased, the current can be at the same level as the output current shown in the unconditional stimulus. It can be seen that the neural device learns about the input stimulus signal and forms an effective bond between the conditional stimulus and the unconditional stimulus.
  • a positive pulse corresponding to an unconditional stimulus and a negative pulse corresponding to a conditional stimulus are repeatedly applied.
  • the state of low resistance is maintained upon application of a positive pulse, which is an unconditional stimulus signal
  • the state of high resistance when a negative pulse is applied, which is a conditional stimulus signal.
  • the neural device learns it and transitions to a low resistance state as indicated by the application of the unconditional stimulus signal.
  • the neuron device can be utilized, and the neuron device can be realized through a simpler structure.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a neural device according to a preferred embodiment of the present invention.
  • the neural device includes a lower electrode 100, a quantum dot 120, a polymer insulating layer 140, and an upper electrode 160.
  • the lower electrode 100 may be made of a conductive metal or a conductive oxide, for example, ITO may be used.
  • the lower electrode may have a material such as Au, Pt, Cr, Ni, Al, Cu, Ag, Au, Ni, Zn, Cd, Pd Ti, AlZnO, or ITO.
  • the current flowing through the lower electrode 100 forms an output signal.
  • a quantum dot 120 is formed on the lower electrode 100, and preferably, a quantum dot structure of Al 2 O 3 is formed.
  • the quantum dot 120 may be formed by forming an Al layer of a thin thin film on the lower substrate 100, and obtaining a structure of Al 2 O 3 regularly arranged through heat treatment in an oxygen atmosphere.
  • the polymer insulating layer 140 is formed in the spaced space between the quantum dots 120.
  • the polymer insulating layer 140 is formed on the side or the top of the quantum dot 120, the quantum dot 120 is not formed, it may be formed on the lower electrode 100 exposed surface.
  • filament formation and disappearance of metal atoms occurs through the interface between the quantum dot 120 and the polymer insulating layer 140. That is, the interface between the quantum dot 120 and the polymer insulating layer 140 serves as a channel for filament formation made of metal atoms.
  • the polymer insulating layer 140 preferably has a polyimide.
  • An upper electrode 160 is formed on the quantum dot 120 or the polymer insulating layer 140.
  • the upper electrode 160 is preferably formed of a metal material, and is selected as a material capable of supplying metal atoms to an interface of the polymer insulating layer 140.
  • the upper electrode 160 may have Cu, Ag, Au, Ni, Zn, Cd, Pd, or an alloy thereof.
  • a portion of the quantum dot 120 is preferably formed in contact with the upper electrode 160.
  • an interface between the quantum dot 120 and the polymer insulating layer 140 is formed between the upper electrode 160 and the lower electrode 100, and resistance may be controlled through formation and disappearance of conductive filaments formed at the interface. .
  • FIG. 2 to 6 are cross-sectional views illustrating the operation of the neural device of FIG. 1 according to a preferred embodiment of the present invention.
  • the lower electrode 100 is made of ITO
  • the quantum dot 120 is made of Al 2 O 3
  • the polymer insulating layer 140 is made of polyimide
  • the upper electrode 160 is made of Ag.
  • a positive voltage is applied to the upper electrode 160, and a negative voltage or a ground voltage is applied to the lower electrode 100. That is, a positive voltage difference V is applied between the upper electrode 160 and the lower electrode 100.
  • Ag constituting the upper electrode 160 is ionized to Ag + by the positive voltage applied to the upper electrode 160. That is, the oxidation of Ag occurs in the upper electrode 160 by the positive voltage applied.
  • Ag cations generated in the upper electrode 160 are moved to the lower electrode by a negative voltage or a ground voltage applied to the lower electrode 100.
  • Ag cations move to the lower electrode 100 due to a positive potential difference applied between the upper electrode 160 and the lower electrode 100.
  • the movement of the Ag cations occurs through the interface 130 between the quantum dot 120 and the polymer insulating layer 140. Since the quantum dot 120 has an oxide composition, the movement of metal ions through the quantum dot is not easy.
  • the polymer insulating layer 140 is practically impossible to move metal ions due to the polymer chain structure interconnected and bonded therein.
  • the interface 130 between the quantum dot 120 and the polymer insulating layer 140 may be a mobile channel of metal ions because only weak bonding or physical bonding is performed.
  • Ag cations move through the interface 130 of the quantum dot 120 and the polymer insulating layer 140 by the negative voltage applied from the lower electrode 100, and move to the lower electrode 100. Ag cations in the lower electrode 100 are reduced and appear as Ag metal. That is, Ag metal atoms are accumulated from the lower electrode 100 at the interface 130 between the quantum dot 120 and the polymer insulating layer 140.
  • the filament of Ag metal which is a conductive channel from the lower electrode 100 to the upper electrode 160, is formed. Is formed. Therefore, a phenomenon in which the resistance between the upper electrode 160 and the lower electrode 100 decreases occurs.
  • a negative voltage or a ground voltage is applied to the upper electrode 160, and a positive voltage is applied to the lower electrode 100. That is, a negative voltage difference is generated between the upper electrode 160 and the lower electrode 100, and the Ag metal atoms constituting the conductive filament disappear from a region close to the upper electrode 160. That is, Ag metal atoms are oxidized to cations through the interface 130 of the quantum dot 120 and the polymer insulating layer 140 and move to the upper electrode 160.
  • a positive voltage difference is again applied between both electrodes. That is, the upper electrode 160 has a high voltage, and the lower electrode 100 has a low voltage.
  • the conductive filaments as described in FIG. 3 are formed at the interface 130 between the quantum dot 120 and the polymer insulating layer 140 by the voltage difference applied.
  • the formation of the conductive filaments in FIG. 5 is based on the remaining conductive filaments in FIG. 4, the number of Ag metal atoms forming the conductive filaments increases, thereby forming a conductive filament having a higher density.
  • a positive voltage is applied to the lower electrode 100, and a negative voltage or a ground voltage is applied to the upper electrode 160. Therefore, a voltage difference of ( ⁇ ) is applied between the upper electrode 160 and the lower electrode 100.
  • a negative voltage difference is applied, the Ag metal atoms forming the conductive filaments migrate to the upper electrode 160 in the form of metal cations.
  • the conductive filament is maintained for a certain period of time when a negative voltage difference is applied. Therefore, the neural element maintains a low resistance state even in the case where a negative voltage bias is applied.
  • FIG. 7 to 9 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing the neural device of FIG. 1 according to a preferred embodiment of the present invention.
  • the metal thin film 110 is formed on the lower electrode 100.
  • the lower electrode 100 may have a material such as Au, Pt, Cr, Ni, Al, Cu, Ag, Au, Ni, Zn, Cd, Pd Ti, AlZnO, or ITO.
  • the metal thin film 110 may be made of Al.
  • a 5 nm Al film may be formed on the lower substrate 100 through thermal deposition.
  • the metal thin film 110 is formed of a quantum dot 120 on the lower electrode 100.
  • the metal thin film 110 is formed of the quantum dots 120 of Al 2 O 3.
  • the size of the quantum dot 120 is preferably set to 5nm to 10nm. That is, the diameter of the quantum dot 120 may be set to 5nm to 10nm.
  • the diameter of the quantum dot 120 is less than 5 nm, it becomes substantially difficult to form the quantum dot 120 through heat treatment, and when the diameter of the quantum dot 120 exceeds 10 nm, the heat treatment for forming the quantum dot 120 The problem is that the temperature rises, the heat treatment time increases, and the productivity decreases. In addition, when the heat treatment temperature is less than 300 °C, it is difficult to obtain a sufficient melting of the Al metal thin film, when the heat treatment temperature exceeds 400 °C, the Al metal thin film is excessively melted to form a quantum dot 120 of the desired size Is generated.
  • the Al metal thin film When the heat treatment is performed in an oxygen atmosphere on the Al metal thin film, the Al metal thin film is partially melted, or is combined with oxygen to form Al 2 O 3. In addition, the formed Al 2 O 3 particles act as a nucleus of growth, so that the Al 2 O 3 formed thereafter aggregates to the formed Al 2 O 3. Through this, the regularly arranged quantum dots of Al 2 O 3 can be obtained. Also, the Al metal thin film is formed of the quantum dots 120 of Al 2 O 3, and the lower electrode 100 of the region where the quantum dots are not formed is exposed due to the aggregation phenomenon.
  • the space between the quantum dots 120 is filled with the polymer insulating layer 140.
  • a polyimide precursor is used to form the polymer insulating layer 140 and may be formed through a coating process.
  • the solvent used as the polyimide precursor used is N-methyl-2-pyrrolidone, in which polyamic acid of p-phenylene biphenyltetracarboximide (BPDA-PDA) is dissolved.
  • BPDA-PDA polyamic acid of p-phenylene biphenyltetracarboximide
  • the polymer insulating layer 140 may be formed through heat treatment.
  • the upper electrode 160 is formed on the polymer insulating layer 140.
  • the upper electrode 160 may be Cu, Ag, Au, Ni, Zn, Cd, Pd, or an alloy thereof.
  • the upper electrode 160 supplies metal ions to form conductive filaments.
  • the upper electrode 160 may be formed through a conventional thermal deposition method.
  • the upper electrode 160 may be formed in contact with a portion of the upper surface of the quantum dot 120 and the polymer insulating layer 140.
  • FIG. 10 is a graph showing the response characteristics for explaining the operation of the neural device manufactured according to the preferred embodiment of the present invention.
  • ITO is used as the lower electrode and Ag is used as the upper electrode.
  • the quantum dots are made of Al 2 O 3, and polyimide is used as the polymer insulating layer.
  • the thermally deposited Al metal thin film is annealed at 350 ° C. for 1 hour in an oxygen atmosphere to form quantum dots.
  • the polyimide precursor used is N-methyl-2-pyrrolidone, in which polyamic acid of p-phenylene biphenyltetracarboximide (BPDA-PDA) is dissolved and spin-coated at a speed of 7800 rpm.
  • the pulse signal is alternately applied between the upper electrode and the lower electrode to the neural device manufactured through the above-described process. For example, a pulse of + 5V and -5V are alternately applied between the upper electrode and the lower electrode, and the current flowing through the lower electrode is measured.
  • the current flowing out from the lower electrode is set to (+), and the current flowing into the lower electrode is defined as (-).
  • each pulse is defined as having a pulse width of 10 nsec.
  • the current measured at the lower electrode increases due to the formation of the conductive filament, and thus the neural device is in a low resistance state.
  • the current measured at the lower electrode is insignificant due to the disappearance of the conductive filament at the beginning of the pulse of -5V.
  • the output signal changes when the voltages of + 5V and -5V are repeatedly applied, and the negative output current level gradually saturates to a constant value according to the number of applied pulses, and the positive output current level indicates a stable high current state. Keep it.
  • the above-described operation may be interpreted as a pathway of neurons for an input signal including an unconditional stimulus and a conditional stimulus. That is, one pulse having a size of 5V may be defined as an unconditional stimulus, and one pulse having a size of ⁇ 5V may be defined as a conditional stimulus.
  • the output current for each pulse is represented by a conditional response and an unconditional response.
  • the 5V pulse is an unconditional stimulus (feeding stimulus), which is applied to the nerve element, and the pulse of -5V can also be set as a conditional stimulus (stimulation like a bell). If a continuous conditional stimulus, which is a training course, is applied and the number of trainings is increased, the current can be at the same level as the output current shown in the unconditional stimulus. It can be seen that the neural device learns about the input stimulus signal and forms an effective bond between the conditional stimulus and the unconditional stimulus.
  • a positive pulse corresponding to an unconditional stimulus and a negative pulse corresponding to a conditional stimulus are repeatedly applied.
  • the state of low resistance is maintained upon application of a positive pulse, which is an unconditional stimulus signal
  • the state of high resistance when a negative pulse is applied, which is a conditional stimulus signal.
  • the neural device learns it and transitions to a low resistance state as indicated by the application of the unconditional stimulus signal.
  • the neuron device can be utilized, and the neuron device can be realized through a simpler structure.

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Abstract

조건 반사 기능이 부여된 신경 소자 및 이의 구동방법이 개시된다. 상하부 2개의 전극들 사이에는 양자점과 고분자 절연층이 형성된다. 양자점과 고분자 절연층의 계면은 전도성 필라멘트의 형성이 이루어진다. 무조건 자극 신호인 양의 펄스가 인가되면 전도성 필라멘트는 형성되고, 저저항 상태를 구현한다. 조건 자극 신호인 음의 펄스의 인가 횟수가 증가함에 따라 신경 소자는 고저항 상태에서 저저항 상태로 전환된다. 이를 통해 조건 자극 신호에 대한 학습능력을 가진 신경 소자를 구현하고, 구동할 수 있다.

Description

조건 반사 동작을 수행하는 신경 소자 및 이의 구동 방법
본 발명은 신경 소자와 이의 구동 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반복되는 조건 신호에 따라 반응할 수 있는 신경 소자 및 이의 구동 방법에 관한 것이다.
최근 인공지능 등에 사용이 검토되고 있는 신경회로망 소자는 신체의 신경 전달 시스템을 모방한 소자이다. 신경 전달 시스템은 뉴런과 시냅스로 구성되며, 뉴런은 일정한 범위 이상의 자극이 입력되면 이에 상응하는 출력을 형성하는 동작을 수행하고, 시냅스는 반복되는 뉴런의 출력에 대해 다른 뉴런으로 신호를 전달하는 동작을 수행한다.
따라서, 뉴런을 모방하는 신경 소자는 일정 범위 이상의 자극이 인가되거나, 특정 횟수 이상의 자극이 입력되는 경우, 이에 상응하는 출력을 형성한다. 또한, 시냅스를 모방하는 신경 소자는 지속적으로 인가되는 자극에 임피던스가 변경되는 특징을 가진다.
대한민국 공개특허 제2016-0056816호는 흥분 또는 억제 기능을 가지는 신경 모방 소자를 개시한다. 이는 시냅스 모방소자를 개시하며, 2개의 nMOS가 직렬 연결된 구조로 2개의 하부전극들에 프로그램 전압 등을 인가하여, 각각의 채널의 문턱전압을 변경하고 있다. 특히, 상부전극에 인가되는 바이어스에 의해 흥분 또는 억제 기능이 정의될 수 있는 바, 이는 직렬 연결 구조이므로 상부전극에 인가되는 바이어스 조건에 따라 흥분 또는 억제 기능이 구현된다. 다만, 이에 따른 출력 전류의 구별은 크게 나타나지 않을 것으로 예측된다.
또한, 대한민국 등록특허 제1537433호는 멤리스터 소자를 개시한다. 상기 멤리스터 소자는 저항 변화 메모리와 쇼트키 다이오드로 구성된다. 이들은 상호 병렬 구조로 배치되어 메모리 또는 다이오드로 선택적으로 동작할 수 있는 특징을 가진다.
다만, 상기 특허들은 신경 소자들의 동작의 특성에 적합하게 구현하지 못하는 단점을 가지며, 복잡한 구조로 인해 인가되는 신호의 처리 또는 반응이 통일적이지 못하고, 특성치의 변동을 초래할 우려가 있다. 또한, 다수의 기능이 포함되는 특징으로 인해 제조단가가 상승할 수 있다.
따라서, 보다 간단한 구조로 신경 소자를 구현하고, 이를 동작시키는 기술의 출현은 여전히 요청된다 할 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 제1 기술적 과제는 조건 자극에 대한 학습기능을 가진 신경 소자를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 제2 기술적 과제는 상기 제1 기술적 과제에 따른 신경 소자의 구동방법을 제공하는데 있다.
상기 제1 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은, 하부 전극; 상기 하부 전극 상에 형성된 양자점; 상기 양자점들의 이격공간을 충진하는 고분자 절연층; 및 상기 양자점 또는 고분자 절연층 상에 형성된 상부 전극을 포함하는 신경 소자를 제공한다.
상기 제2 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은, 상부 전극과 하부 전극 사이에 양자점 및 고분자 절연층을 가지는 신경 소자의 구동방법에 있어서, 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에 양전압차를 인가하여 상기 양자점과 상기 고분자 절연층 사이의 계면에 전도성 필라멘트를 형성하여 상기 신경 소자를 저저항 상태로 진입시키는 단계; 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에 음전압차를 인가하여 상기 상기 상부 전극에 인접한 전도성 필라멘트를 제거하는 단계; 및 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에 양전압차와 음전압차를 번갈아 인가하여 상기 상부 전극에 인접하여 제거된 전도성 필라멘트를 축적시키는 단계를 포함하는 신경 소자의 구동방법을 제공한다.
상술한 본 발명에 따르면, 무조건 자극에 해당하는 양의 펄스와 조건 자극에 해당하는 음의 펄스가 반복하여 인가된다. 초기 상태에서 무조건 자극 신호인 양의 펄스의 인가시, 저저항 상태를 유지하며, 조건 자극 신호인 음의 펄스 인가시, 고저항 상태를 유지한다. 조건 자극 신호가 반복되어 인가되면, 신경 소자는 이를 학습하고, 무조건 자극 신호의 인가에서 나타나는 바와 같은 저저항 상태로 전환된다.
이를 통하여 뉴런 소자로의 활용이 가능해지며, 보다 간단한 구조를 통해 뉴런 소자를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 신경 소자를 도시한 단면도이다.
도 2 내지 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 1의 신경소자의 동작을 도시한 단면도들이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 1의 신경 소자의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 10은 본 발명의 바람직한 제조예에 따라 제조된 신경 소자의 동작을 설명하기 위한 응답 특성을 도시한 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
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 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
실시예
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 신경 소자를 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 신경 소자는 하부 전극(100), 양자점(120), 고분자 절연층(140) 및 상부 전극(160)을 가진다.
하부 전극(100)은 도전성 금속 또는 도전성 산화물로 구성될 수 있으며, 예컨대 ITO 등이 사용될 수 있다. 상기 하부 전극은 Au, Pt, Cr, Ni, Al, Cu, Ag, Au, Ni, Zn, Cd, Pd Ti, AlZnO 또는 ITO 등의 재질을 가질 수 있다. 상기 하부 전극(100)을 통해 흐르는 전류는 출력 신호를 형성한다.
하부 전극(100) 상에는 양자점(120)이 형성되며, 바람직하게는 Al2O3의 양자점 구조가 형성된다. 양자점(120)은 하부 기판(100) 상에 얇은 박막의 Al층을 형성하고, 이에 대해 산소 분위기에서 열처리를 통해 규칙적으로 배열된 Al2O3의 구조물을 얻음을 통해 형성될 수 있다.
또한, 상기 양자점(120) 사이의 이격 공간에는 고분자 절연층(140)이 형성된다. 고분자 절연층(140)은 양자점(120)의 측부 또는 상부에 형성되며, 양자점(120)이 형성되지 않고, 표면이 노출된 하부 전극(100) 상에 형성될 수 있다. 또한, 양자점(120)과 고분자 절연층(140)의 계면을 통해 금속 원자의 필라멘트 형성과 소멸이 일어난다. 즉, 양자점(120)과 고분자 절연층(140)의 계면은 금속 원자로 이루어진 필라멘트 형성의 채널로 작용한다. 상기 고분자 절연층(140)은 폴리이미드를 가짐이 바람직하다.
상기 양자점(120) 또는 고분자 절연층(140) 상에는 상부 전극(160)이 형성된다. 상부 전극(160)은 금속물로 형성됨이 바람직하며, 고분자 절연층(140)의 계면에 금속 원자를 공급할 수 있는 재질로 선택된다. 예컨대, 상기 상부 전극(160)은 Cu, Ag, Au, Ni, Zn, Cd, Pd 또는 이들의 합금을 가질 수 있다.
특히, 상기 양자점(120)의 일부는 상기 상부 전극(160)과 접하여 형성됨이 바람직하다. 이를 통해 상부 전극(160)과 하부 전극(100) 사이에는 양자점(120)과 고분자 절연층(140)의 계면이 형성되며, 계면에서 형성되는 전도성 필라멘트의 형성과 소멸을 통해 저항이 조절될 수 있다.
도 2 내지 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 1의 신경소자의 동작을 도시한 단면도들이다.
도 2 내지 도 6에서 하부 전극(100)은 ITO이며, 양자점(120)은 Al2O3, 고분자 절연층(140)은 폴리이미드, 상부 전극(160)은 Ag로 구성된 상태이다.
도 2를 참조하면, 상부 전극(160)에는 양전압이 인가되고, 하부 전극(100)에는 음전압 또는 접지 전압이 인가된다. 즉, 상부 전극(160)과 하부 전극(100) 사이에는 (+)의 양전압차 V가 인가된다. 상부 전극(160)에 인가되는 양전압에 의해 상부 전극(160)을 구성하는 Ag는 Ag+ 로 이온화된다. 즉, 인가되는 양전압에 의해 상부 전극(160)에서는 Ag의 산화반응이 발생된다. 또한, 상부 전극(160)에서 생성된 Ag 양이온은 하부 전극(100)에 인가되는 음전압 또는 접지 전압에 의해 하부 전극으로 이동한다.
즉, 상부 전극(160)과 하부 전극(100) 사이에 인가된 (+) 전위차에 의해 Ag 양이온은 하부 전극(100)으로 이동한다. Ag 양이온의 이동은 양자점(120)과 고분자 절연층(140)의 계면(130)을 통해 일어난다. 양자점(120)은 산화물의 조성을 가지므로 양자점 내부를 통한 금속 이온의 이동이 용이하지 않다. 또한, 고분자 절연층(140)은 내부에 상호 연결되고 결합된 고분자 사슬 구조로 인해 금속 이온의 이동이 실제로 불가능하다. 다만, 양자점(120)과 고분자 절연층(140)의 계면(130)은 약한 결합 또는 물리적 접합만이 수행된 상태이므로 금속 이온의 이동 채널로 작용할 수 있다.
하부 전극(100)에서 인가되는 음전압 등에 의해 Ag 양이온은 양자점(120)과 고분자 절연층(140)의 계면(130)을 통해 이동하며, 하부 전극(100)으로 이동한다. 하부 전극(100)에서 Ag 양이온은 환원되고, Ag 금속으로 나타난다. 즉, 양자점(120)과 고분자 절연층(140)의 계면(130)에서는 하부 전극(100)으로부터 Ag 금속 원자가 축적된다.
도 3을 참조하면, 양자점(120)과 고분자 절연층(140) 계면(130)에서의 Ag 금속 원자의 축적을 통해 하부 전극(100)으로부터 상부 전극(160)까지 전도성 채널인 Ag 금속의 필라멘트가 형성된다. 따라서, 상부 전극(160)과 하부 전극(100) 사이의 저항은 감소하는 현상이 발생된다.
도 4를 참조하면, 상부 전극(160)에 음전압 또는 접지 전압이 인가되고, 하부 전극(100)에 양전압이 인가된다. 즉, 상부 전극(160)과 하부 전극(100) 사이에 (-)의 전압차가 발생되고, 전도성 필라멘트를 구성하는 Ag 금속 원자는 상부 전극(160)에 가까운 영역에서부터 소멸된다. 즉, Ag 금속 원자는 양자점(120)과 고분자 절연층(140)의 계면(130)을 통해 양이온으로 산화되어 상부 전극(160)으로 이동한다.
따라서, 상부 전극(160)과 하부 전극(100) 사이를 연결하는 전도성 필라멘트의 일부는 사라지므로 양 전극 사이는 높은 저항 상태를 유지한다.
다만, 양 전극 사이에 인가되는 (-) 전압차의 펄스 폭이 충분하지 못하므로 하부 전극(100)에 인접한 계면에서의 Ag 금속 원자는 잔류되고, 전도성 필라멘트의 일부를 구성한다.
도 5를 참조하면, 다시 양 전극 사이에 (+) 전압차가 인가된다. 즉, 상부 전극(160)은 고전압을 가지고, 하부 전극(100)은 저전압을 가진다. 인가되는 전압차에 의해 도 3에서 설명된 바와 같은 전도성 필라멘트가 양자점(120)과 고분자 절연층(140) 사이의 계면(130)에 형성된다.
다만, 도 5에서의 전도성 필라멘트의 형성은 상기 도 4에서 잔류하는 전도성 필라멘트를 근거로 형성된 상태이므로 전도성 필라멘트를 형성하는 Ag 금속 원자의 수는 증가하고, 더욱 높은 밀도를 가지는 전도성 필라멘트를 형성한다.
계속해서 도 6을 참조하면, 하부 전극(100)에는 양전압이 인가되고, 상부 전극(160)에는 음전압 또는 접지 전압이 인가된다. 따라서, 상부 전극(160)과 하부 전극(100) 사이에는 (-)의 전압차가 인가된다. (-)의 전압차가 인가되는 경우, 전도성 필라멘트를 형성하는 Ag 금속 원자는 금속 양이온의 형태로 상부 전극(160)으로 이동한다. 다만, 전도성 필라멘트를 형성하는 Ag 금속 원자는 양자점과 고분자 절연층의 계면에서 높은 밀도를 유지하므로 (-)의 전압차가 인가되는 일정 기간 동안에는 전도성 필라멘트는 유지된다. 따라서, 신경 소자는 음전압의 바이어스가 인가된 상황에서도 저저항 상태를 유지한다.
상술한 도 2 내지 도 6의 메커니즘에서 상부 전극(160)과 하부 전극(100) 사이에 (+)의 양 전압차가 인가되는 경우, 전도성 필라멘트가 형성되고, (-)의 음 전압차가 인가되는 경우, 전도성 필라멘트의 소멸이 발생한다. 다만, 양 전압차와 음 전압차는 번갈아가면서 형성되고, 반복되는 과정에서 전도성 필라멘트는 양자점(120)과 고분자 절연층(140)의 계면에서 축적된다. 따라서, 일정 회수가 경과되면, 음 전압차의 인가에도 상부 전극(160)과 하부 전극(100) 사이에는 저저항 상태가 유지된다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 1의 신경 소자의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 7을 참조하면, 하부 전극(100) 상에 금속 박막(110)이 형성된다. 상기 하부 전극(100)은 Au, Pt, Cr, Ni, Al, Cu, Ag, Au, Ni, Zn, Cd, Pd Ti, AlZnO 또는 ITO 등의 재질을 가질 수 있다.
또한, 금속 박막(110)은 Al로 구성될 수 있다. 예컨대, 열증착을 통해 5nm의 Al 필름이 하부 기판(100) 상에 형성될 수 있다.
도 8을 참조하면, 하부 전극(100) 상에 금속 박막(110)은 양자점(120)으로 형성된다. 예컨대, 하부 전극(100) 상에 형성된 Al 금속 박막에 산소 분위기에서 300℃ 내지 400℃의 열처리를 0.5시간 내지 2시간 수행하면, 금속 박막(110)은 Al2O3의 양자점(120)으로 형성된다. 양자점(120)의 크기는 5nm 내지 10nm로 설정됨이 바람직하다. 즉, 양자점(120)의 직경은 5nm 내지 10nm로 설정될 수 있다. 만일, 양자점(120)의 직경이 5nm 미만이면, 열처리를 통한 양자점(120)의 형성이 실질적으로 곤란해지며, 양자점(120)의 직경이 10nm를 상회하는 경우, 양자점(120) 형성을 위한 열처리 온도가 상승하고, 열처리 시간이 증가하여 생산성이 낮아지는 문제가 발생된다. 또한, 열처리 온도가 300℃ 미만이면, Al 금속 박막의 충분한 용융을 얻기 힘들며, 열처리 온도가 400℃를 상회하면, Al 금속 박막이 과도하게 용융되어 원하는 사이즈의 양자점(120)을 형성할 수 없는 문제점이 발생된다.
Al 금속 박막에 대해 산소 분위기에서 열처리가 수행되면, Al 금속 박막은 부분 용융되거나, 산소와 결합하여 Al2O3로 형성된다. 또한, 형성된 Al2O3 미세 입자는 성장의 핵으로 작용하여 이후에 형성되는 Al2O3는 기 형성된 Al2O3에 응집되는 현상이 일어난다. 이를 통해 규칙적으로 배열된 Al2O3의 양자점을 얻을 수 있다. 또한, Al 금속 박막은 Al2O3의 양자점(120)으로 형성되고, 응집되는 현상으로 인해 양자점이 형성되지 않은 영역의 하부 전극(100)은 노출된다.
도 9를 참조하면, 양자점(120) 사이의 이격공간은 고분자 절연층(140)으로 충진된다. 고분자 절연층(140)의 형성을 위해 폴리이미드 전구체를 사용하며, 코팅 공정을 통해 형성될 수 있다. 사용되는 폴리이미드 전구체로 사용되는 용매는 N-methyl-2-pyrrolidone이며, 이에 p-phenylene biphenyltetracarboximide (BPDA-PDA)의 폴리아믹산이 용해된다. 예컨대, 도 8의 구조물에 상기 폴리이미드 전구체를 스핀 코팅한후, 열처리를 통해 고분자 절연층(140)을 형성할 수 있다.
이어서, 고분자 절연층(140) 상에 상부 전극(160)이 형성된다. 상기 상부 전극(160)은 Cu, Ag, Au, Ni, Zn, Cd, Pd 또는 이들의 합금일 수 있다. 특히, 상기 상부 전극(160)은 전도성 필라멘트의 형성을 위해 금속 이온을 공급한다.
상기 상부 전극(160)은 통상의 열증착법을 통해 형성될 수 있다.
또한, 상기 상부 전극(160)은 양자점(120)의 상부 표면의 일부와 고분자 절연층(140)에 접하여 형성됨이 바람직하다.
제조예
도 10은 본 발명의 바람직한 제조예에 따라 제조된 신경 소자의 동작을 설명하기 위한 응답 특성을 도시한 그래프이다.
도 10을 참조하면, 하부 전극으로는 ITO가 사용되고, 상부 전극으로는 Ag가 사용된다. 또한, 양자점은 Al2O3로 형성되고, 고분자 절연층으로는 폴리이미드가 사용된다. 양자점 형성을 위해 열증착된 Al 금속 박막에 대해 350℃로 1시간 동안 산소 분위기에서 열처리된다. 사용되는 폴리이미드 전구체는 N-methyl-2-pyrrolidone이며, 이에 p-phenylene biphenyltetracarboximide (BPDA-PDA)의 폴리아믹산이 용해된 것으로 7800rpm의 속도로 스핀코팅된다.
상술한 공정을 통해 제조된 신경 소자에는 상부 전극과 하부 전극 사이에 펄스 신호가 번갈아 인가된다. 예컨대, 상부 전극과 하부 전극 사이에는 +5V의 펄스와 -5V의 펄스가 번갈아 인가되며, 하부 전극을 통해 흐르는 전류를 측정한다. 하부 전극으로부터 유출되는 전류를 (+)로 설정하며, 하부 전극으로 유입되는 전류를 (-)로 정의한다. 또한, 각각의 펄스는 10nsec의 펄스 폭을 가지는 것으로 정의한다.
상기 도 10에서 +5V의 펄스가 인가되면, 전도성 필라멘트의 형성으로 인해 하부 전극에서 측정되는 전류는 증가하며 이를 통해 신경 소자는 저저항 상태에 있음을 알 수 있다. 또한, -5V의 펄스가 인가되는 초기에는 전도성 필라멘트의 소멸로 인해 하부 전극에서 측정되는 전류는 미미한 수준이다.
+5V의 펄스와 -5V의 펄스가 반복 인가되면, 양자점과 고분자 절연층 사이의 계면에는 전도성 필라멘트가 축적된다. 따라서, -5V의 펄스의 인가 상황에서도 전류가 음의 값으로 증가하는 현상이 발생한다. 따라서, 최종적으로는 음의 펄스가 인가되는 상황에서도 전도성 필라멘트는 소멸되지 않고 저저항 상태를 유지하는 것을 알 수 있다.
이는 +5V와 -5V의 전압을 반복적으로 인가하면 출력 신호가 변화되며, 인가 펄스의 횟수에 따라 점진적으로 음의 출력 전류 레벨이 일정한 값으로 포화되고 있으며, 양의 출력 전류 레벨은 안정적인 고전류 상태를 유지한다.
상술한 동작은 무조건 자극과 조건 자극을 포함하는 입력 신호에 대한 뉴런의 통로로 해석될 수 있다. 즉, 5V 크기를 가지는 하나의 펄스는 무조건 자극으로 정의되고, -5V 크기를 가지는 하나의 펄스는 조건 자극으로 정의될 수 있다. 각각의 펄스에 따른 출력 전류는 조건 응답과 무조건 응답으로 표현된다.
예컨대, 파블로프의 실험에서 개를 대상으로 한 실험으로 본 신경 소자의 신경 학습 동작을 파악할 수 있다. 초기 단계에서는 종소리만으로 개가 타액을 분비하게 할 수 없다. 다만, 종을 울리면서 개에게 먹이를 주는 행위를 반복하는 훈련 과정을 거치면 파블로프의 개는 종소리와 먹이를 연상하는 학습능력을 가지게 되며, 결과적으로 종소리만으로 타액을 분비하게 된다.
본 발명세서는 5V 펄스는 무조건 자극(먹이와 같은 자극)이며, 이는 신경 소자에 인가된다, 또한, -5V의 펄스는 조건 자극(종소리와 같은 자극)으로 설정될 수 있다. 훈련 과정인 지속적인 조건 자극이 인가되어 훈련 횟수가 증가하면, 무조건 자극에서 나타나는 출력 전류와 같은 레벨의 전류를 얻을 수 있다. 이는 입력되는 자극 신호에 대해 신경 소자가 이를 학습하고, 조건 자극과 무조건 자극 사이에 효과적인 유대관계를 형성하는 것을 알 수 있다.
상술한 본 발명에 따르면, 무조건 자극에 해당하는 양의 펄스와 조건 자극에 해당하는 음의 펄스가 반복하여 인가된다. 초기 상태에서 무조건 자극 신호인 양의 펄스의 인가시, 저저항 상태를 유지하며, 조건 자극 신호인 음의 펄스 인가시, 고저항 상태를 유지한다. 조건 자극 신호가 반복되어 인가되면, 신경 소자는 이를 학습하고, 무조건 자극 신호의 인가에서 나타나는 바와 같은 저저항 상태로 전환된다.
이를 통하여 뉴런 소자로의 활용이 가능해지며, 보다 간단한 구조를 통해 뉴런 소자를 구현할 수 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
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 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
실시예
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 신경 소자를 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 신경 소자는 하부 전극(100), 양자점(120), 고분자 절연층(140) 및 상부 전극(160)을 가진다.
하부 전극(100)은 도전성 금속 또는 도전성 산화물로 구성될 수 있으며, 예컨대 ITO 등이 사용될 수 있다. 상기 하부 전극은 Au, Pt, Cr, Ni, Al, Cu, Ag, Au, Ni, Zn, Cd, Pd Ti, AlZnO 또는 ITO 등의 재질을 가질 수 있다. 상기 하부 전극(100)을 통해 흐르는 전류는 출력 신호를 형성한다.
하부 전극(100) 상에는 양자점(120)이 형성되며, 바람직하게는 Al2O3의 양자점 구조가 형성된다. 양자점(120)은 하부 기판(100) 상에 얇은 박막의 Al층을 형성하고, 이에 대해 산소 분위기에서 열처리를 통해 규칙적으로 배열된 Al2O3의 구조물을 얻음을 통해 형성될 수 있다.
또한, 상기 양자점(120) 사이의 이격 공간에는 고분자 절연층(140)이 형성된다. 고분자 절연층(140)은 양자점(120)의 측부 또는 상부에 형성되며, 양자점(120)이 형성되지 않고, 표면이 노출된 하부 전극(100) 상에 형성될 수 있다. 또한, 양자점(120)과 고분자 절연층(140)의 계면을 통해 금속 원자의 필라멘트 형성과 소멸이 일어난다. 즉, 양자점(120)과 고분자 절연층(140)의 계면은 금속 원자로 이루어진 필라멘트 형성의 채널로 작용한다. 상기 고분자 절연층(140)은 폴리이미드를 가짐이 바람직하다.
상기 양자점(120) 또는 고분자 절연층(140) 상에는 상부 전극(160)이 형성된다. 상부 전극(160)은 금속물로 형성됨이 바람직하며, 고분자 절연층(140)의 계면에 금속 원자를 공급할 수 있는 재질로 선택된다. 예컨대, 상기 상부 전극(160)은 Cu, Ag, Au, Ni, Zn, Cd, Pd 또는 이들의 합금을 가질 수 있다.
특히, 상기 양자점(120)의 일부는 상기 상부 전극(160)과 접하여 형성됨이 바람직하다. 이를 통해 상부 전극(160)과 하부 전극(100) 사이에는 양자점(120)과 고분자 절연층(140)의 계면이 형성되며, 계면에서 형성되는 전도성 필라멘트의 형성과 소멸을 통해 저항이 조절될 수 있다.
도 2 내지 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 1의 신경소자의 동작을 도시한 단면도들이다.
도 2 내지 도 6에서 하부 전극(100)은 ITO이며, 양자점(120)은 Al2O3, 고분자 절연층(140)은 폴리이미드, 상부 전극(160)은 Ag로 구성된 상태이다.
도 2를 참조하면, 상부 전극(160)에는 양전압이 인가되고, 하부 전극(100)에는 음전압 또는 접지 전압이 인가된다. 즉, 상부 전극(160)과 하부 전극(100) 사이에는 (+)의 양전압차 V가 인가된다. 상부 전극(160)에 인가되는 양전압에 의해 상부 전극(160)을 구성하는 Ag는 Ag+ 로 이온화된다. 즉, 인가되는 양전압에 의해 상부 전극(160)에서는 Ag의 산화반응이 발생된다. 또한, 상부 전극(160)에서 생성된 Ag 양이온은 하부 전극(100)에 인가되는 음전압 또는 접지 전압에 의해 하부 전극으로 이동한다.
즉, 상부 전극(160)과 하부 전극(100) 사이에 인가된 (+) 전위차에 의해 Ag 양이온은 하부 전극(100)으로 이동한다. Ag 양이온의 이동은 양자점(120)과 고분자 절연층(140)의 계면(130)을 통해 일어난다. 양자점(120)은 산화물의 조성을 가지므로 양자점 내부를 통한 금속 이온의 이동이 용이하지 않다. 또한, 고분자 절연층(140)은 내부에 상호 연결되고 결합된 고분자 사슬 구조로 인해 금속 이온의 이동이 실제로 불가능하다. 다만, 양자점(120)과 고분자 절연층(140)의 계면(130)은 약한 결합 또는 물리적 접합만이 수행된 상태이므로 금속 이온의 이동 채널로 작용할 수 있다.
하부 전극(100)에서 인가되는 음전압 등에 의해 Ag 양이온은 양자점(120)과 고분자 절연층(140)의 계면(130)을 통해 이동하며, 하부 전극(100)으로 이동한다. 하부 전극(100)에서 Ag 양이온은 환원되고, Ag 금속으로 나타난다. 즉, 양자점(120)과 고분자 절연층(140)의 계면(130)에서는 하부 전극(100)으로부터 Ag 금속 원자가 축적된다.
도 3을 참조하면, 양자점(120)과 고분자 절연층(140) 계면(130)에서의 Ag 금속 원자의 축적을 통해 하부 전극(100)으로부터 상부 전극(160)까지 전도성 채널인 Ag 금속의 필라멘트가 형성된다. 따라서, 상부 전극(160)과 하부 전극(100) 사이의 저항은 감소하는 현상이 발생된다.
도 4를 참조하면, 상부 전극(160)에 음전압 또는 접지 전압이 인가되고, 하부 전극(100)에 양전압이 인가된다. 즉, 상부 전극(160)과 하부 전극(100) 사이에 (-)의 전압차가 발생되고, 전도성 필라멘트를 구성하는 Ag 금속 원자는 상부 전극(160)에 가까운 영역에서부터 소멸된다. 즉, Ag 금속 원자는 양자점(120)과 고분자 절연층(140)의 계면(130)을 통해 양이온으로 산화되어 상부 전극(160)으로 이동한다.
따라서, 상부 전극(160)과 하부 전극(100) 사이를 연결하는 전도성 필라멘트의 일부는 사라지므로 양 전극 사이는 높은 저항 상태를 유지한다.
다만, 양 전극 사이에 인가되는 (-) 전압차의 펄스 폭이 충분하지 못하므로 하부 전극(100)에 인접한 계면에서의 Ag 금속 원자는 잔류되고, 전도성 필라멘트의 일부를 구성한다.
도 5를 참조하면, 다시 양 전극 사이에 (+) 전압차가 인가된다. 즉, 상부 전극(160)은 고전압을 가지고, 하부 전극(100)은 저전압을 가진다. 인가되는 전압차에 의해 도 3에서 설명된 바와 같은 전도성 필라멘트가 양자점(120)과 고분자 절연층(140) 사이의 계면(130)에 형성된다.
다만, 도 5에서의 전도성 필라멘트의 형성은 상기 도 4에서 잔류하는 전도성 필라멘트를 근거로 형성된 상태이므로 전도성 필라멘트를 형성하는 Ag 금속 원자의 수는 증가하고, 더욱 높은 밀도를 가지는 전도성 필라멘트를 형성한다.
계속해서 도 6을 참조하면, 하부 전극(100)에는 양전압이 인가되고, 상부 전극(160)에는 음전압 또는 접지 전압이 인가된다. 따라서, 상부 전극(160)과 하부 전극(100) 사이에는 (-)의 전압차가 인가된다. (-)의 전압차가 인가되는 경우, 전도성 필라멘트를 형성하는 Ag 금속 원자는 금속 양이온의 형태로 상부 전극(160)으로 이동한다. 다만, 전도성 필라멘트를 형성하는 Ag 금속 원자는 양자점과 고분자 절연층의 계면에서 높은 밀도를 유지하므로 (-)의 전압차가 인가되는 일정 기간 동안에는 전도성 필라멘트는 유지된다. 따라서, 신경 소자는 음전압의 바이어스가 인가된 상황에서도 저저항 상태를 유지한다.
상술한 도 2 내지 도 6의 메커니즘에서 상부 전극(160)과 하부 전극(100) 사이에 (+)의 양 전압차가 인가되는 경우, 전도성 필라멘트가 형성되고, (-)의 음 전압차가 인가되는 경우, 전도성 필라멘트의 소멸이 발생한다. 다만, 양 전압차와 음 전압차는 번갈아가면서 형성되고, 반복되는 과정에서 전도성 필라멘트는 양자점(120)과 고분자 절연층(140)의 계면에서 축적된다. 따라서, 일정 회수가 경과되면, 음 전압차의 인가에도 상부 전극(160)과 하부 전극(100) 사이에는 저저항 상태가 유지된다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 1의 신경 소자의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 7을 참조하면, 하부 전극(100) 상에 금속 박막(110)이 형성된다. 상기 하부 전극(100)은 Au, Pt, Cr, Ni, Al, Cu, Ag, Au, Ni, Zn, Cd, Pd Ti, AlZnO 또는 ITO 등의 재질을 가질 수 있다.
또한, 금속 박막(110)은 Al로 구성될 수 있다. 예컨대, 열증착을 통해 5nm의 Al 필름이 하부 기판(100) 상에 형성될 수 있다.
도 8을 참조하면, 하부 전극(100) 상에 금속 박막(110)은 양자점(120)으로 형성된다. 예컨대, 하부 전극(100) 상에 형성된 Al 금속 박막에 산소 분위기에서 300℃ 내지 400℃의 열처리를 0.5시간 내지 2시간 수행하면, 금속 박막(110)은 Al2O3의 양자점(120)으로 형성된다. 양자점(120)의 크기는 5nm 내지 10nm로 설정됨이 바람직하다. 즉, 양자점(120)의 직경은 5nm 내지 10nm로 설정될 수 있다. 만일, 양자점(120)의 직경이 5nm 미만이면, 열처리를 통한 양자점(120)의 형성이 실질적으로 곤란해지며, 양자점(120)의 직경이 10nm를 상회하는 경우, 양자점(120) 형성을 위한 열처리 온도가 상승하고, 열처리 시간이 증가하여 생산성이 낮아지는 문제가 발생된다. 또한, 열처리 온도가 300℃ 미만이면, Al 금속 박막의 충분한 용융을 얻기 힘들며, 열처리 온도가 400℃를 상회하면, Al 금속 박막이 과도하게 용융되어 원하는 사이즈의 양자점(120)을 형성할 수 없는 문제점이 발생된다.
Al 금속 박막에 대해 산소 분위기에서 열처리가 수행되면, Al 금속 박막은 부분 용융되거나, 산소와 결합하여 Al2O3로 형성된다. 또한, 형성된 Al2O3 미세 입자는 성장의 핵으로 작용하여 이후에 형성되는 Al2O3는 기 형성된 Al2O3에 응집되는 현상이 일어난다. 이를 통해 규칙적으로 배열된 Al2O3의 양자점을 얻을 수 있다. 또한, Al 금속 박막은 Al2O3의 양자점(120)으로 형성되고, 응집되는 현상으로 인해 양자점이 형성되지 않은 영역의 하부 전극(100)은 노출된다.
도 9를 참조하면, 양자점(120) 사이의 이격공간은 고분자 절연층(140)으로 충진된다. 고분자 절연층(140)의 형성을 위해 폴리이미드 전구체를 사용하며, 코팅 공정을 통해 형성될 수 있다. 사용되는 폴리이미드 전구체로 사용되는 용매는 N-methyl-2-pyrrolidone이며, 이에 p-phenylene biphenyltetracarboximide (BPDA-PDA)의 폴리아믹산이 용해된다. 예컨대, 도 8의 구조물에 상기 폴리이미드 전구체를 스핀 코팅한후, 열처리를 통해 고분자 절연층(140)을 형성할 수 있다.
이어서, 고분자 절연층(140) 상에 상부 전극(160)이 형성된다. 상기 상부 전극(160)은 Cu, Ag, Au, Ni, Zn, Cd, Pd 또는 이들의 합금일 수 있다. 특히, 상기 상부 전극(160)은 전도성 필라멘트의 형성을 위해 금속 이온을 공급한다.
상기 상부 전극(160)은 통상의 열증착법을 통해 형성될 수 있다.
또한, 상기 상부 전극(160)은 양자점(120)의 상부 표면의 일부와 고분자 절연층(140)에 접하여 형성됨이 바람직하다.
제조예
도 10은 본 발명의 바람직한 제조예에 따라 제조된 신경 소자의 동작을 설명하기 위한 응답 특성을 도시한 그래프이다.
도 10을 참조하면, 하부 전극으로는 ITO가 사용되고, 상부 전극으로는 Ag가 사용된다. 또한, 양자점은 Al2O3로 형성되고, 고분자 절연층으로는 폴리이미드가 사용된다. 양자점 형성을 위해 열증착된 Al 금속 박막에 대해 350℃로 1시간 동안 산소 분위기에서 열처리된다. 사용되는 폴리이미드 전구체는 N-methyl-2-pyrrolidone이며, 이에 p-phenylene biphenyltetracarboximide (BPDA-PDA)의 폴리아믹산이 용해된 것으로 7800rpm의 속도로 스핀코팅된다.
상술한 공정을 통해 제조된 신경 소자에는 상부 전극과 하부 전극 사이에 펄스 신호가 번갈아 인가된다. 예컨대, 상부 전극과 하부 전극 사이에는 +5V의 펄스와 -5V의 펄스가 번갈아 인가되며, 하부 전극을 통해 흐르는 전류를 측정한다. 하부 전극으로부터 유출되는 전류를 (+)로 설정하며, 하부 전극으로 유입되는 전류를 (-)로 정의한다. 또한, 각각의 펄스는 10nsec의 펄스 폭을 가지는 것으로 정의한다.
상기 도 10에서 +5V의 펄스가 인가되면, 전도성 필라멘트의 형성으로 인해 하부 전극에서 측정되는 전류는 증가하며 이를 통해 신경 소자는 저저항 상태에 있음을 알 수 있다. 또한, -5V의 펄스가 인가되는 초기에는 전도성 필라멘트의 소멸로 인해 하부 전극에서 측정되는 전류는 미미한 수준이다.
+5V의 펄스와 -5V의 펄스가 반복 인가되면, 양자점과 고분자 절연층 사이의 계면에는 전도성 필라멘트가 축적된다. 따라서, -5V의 펄스의 인가 상황에서도 전류가 음의 값으로 증가하는 현상이 발생한다. 따라서, 최종적으로는 음의 펄스가 인가되는 상황에서도 전도성 필라멘트는 소멸되지 않고 저저항 상태를 유지하는 것을 알 수 있다.
이는 +5V와 -5V의 전압을 반복적으로 인가하면 출력 신호가 변화되며, 인가 펄스의 횟수에 따라 점진적으로 음의 출력 전류 레벨이 일정한 값으로 포화되고 있으며, 양의 출력 전류 레벨은 안정적인 고전류 상태를 유지한다.
상술한 동작은 무조건 자극과 조건 자극을 포함하는 입력 신호에 대한 뉴런의 통로로 해석될 수 있다. 즉, 5V 크기를 가지는 하나의 펄스는 무조건 자극으로 정의되고, -5V 크기를 가지는 하나의 펄스는 조건 자극으로 정의될 수 있다. 각각의 펄스에 따른 출력 전류는 조건 응답과 무조건 응답으로 표현된다.
예컨대, 파블로프의 실험에서 개를 대상으로 한 실험으로 본 신경 소자의 신경 학습 동작을 파악할 수 있다. 초기 단계에서는 종소리만으로 개가 타액을 분비하게 할 수 없다. 다만, 종을 울리면서 개에게 먹이를 주는 행위를 반복하는 훈련 과정을 거치면 파블로프의 개는 종소리와 먹이를 연상하는 학습능력을 가지게 되며, 결과적으로 종소리만으로 타액을 분비하게 된다.
본 발명세서는 5V 펄스는 무조건 자극(먹이와 같은 자극)이며, 이는 신경 소자에 인가된다, 또한, -5V의 펄스는 조건 자극(종소리와 같은 자극)으로 설정될 수 있다. 훈련 과정인 지속적인 조건 자극이 인가되어 훈련 횟수가 증가하면, 무조건 자극에서 나타나는 출력 전류와 같은 레벨의 전류를 얻을 수 있다. 이는 입력되는 자극 신호에 대해 신경 소자가 이를 학습하고, 조건 자극과 무조건 자극 사이에 효과적인 유대관계를 형성하는 것을 알 수 있다.
상술한 본 발명에 따르면, 무조건 자극에 해당하는 양의 펄스와 조건 자극에 해당하는 음의 펄스가 반복하여 인가된다. 초기 상태에서 무조건 자극 신호인 양의 펄스의 인가시, 저저항 상태를 유지하며, 조건 자극 신호인 음의 펄스 인가시, 고저항 상태를 유지한다. 조건 자극 신호가 반복되어 인가되면, 신경 소자는 이를 학습하고, 무조건 자극 신호의 인가에서 나타나는 바와 같은 저저항 상태로 전환된다.
이를 통하여 뉴런 소자로의 활용이 가능해지며, 보다 간단한 구조를 통해 뉴런 소자를 구현할 수 있다.

Claims (11)

  1. 하부 전극;
    상기 하부 전극 상에 형성된 양자점;
    상기 양자점들의 이격공간을 충진하는 고분자 절연층; 및
    상기 양자점 또는 고분자 절연층 상에 형성된 상부 전극을 포함하는 신경 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 하부 전극은 Au, Pt, Cr, Ni, Al, Cu, Ag, Au, Ni, Zn, Cd, Pd Ti, AlZnO 또는 ITO를 포함하는 것을 특징으로 하는 신경 소자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 양자점은 Al2O3를 가지고, 상기 양자점의 직경은 5nm 내지 10nm인 것을 특징으로 하는 신경 소자.
  4. 제1항에 있어서, 상기 고분자 절연층은 폴리이미드를 포함하는 것을 특징으로 하는 신경 소자.
  5. 제1항에 있어서, 상기 상부 전극은 Cu, Ag, Au, Ni, Zn, Cd, Pd 또는 이들의 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 신경 소자.
  6. 제5항에 있어서, 상기 상부 전극은 금속 양이온을 상기 양자점과 상기 고분자 절연층 사이의 계면에 공급하여 전도성 필라멘트를 형성하는 것을 특징으로 하는 신경 소자.
  7. 상부 전극과 하부 전극 사이에 양자점 및 고분자 절연층을 가지는 신경 소자의 구동방법에 있어서,
    상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에 양전압차를 인가하여 상기 양자점과 상기 고분자 절연층 사이의 계면에 전도성 필라멘트를 형성하여 상기 신경 소자를 저저항 상태로 진입시키는 단계;
    상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에 음전압차를 인가하여 상기 상기 상부 전극에 인접한 전도성 필라멘트를 제거하는 단계; 및
    상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에 양전압차와 음전압차를 번갈아 인가하여 상기 상부 전극에 인접하여 제거된 전도성 필라멘트를 축적시키는 단계를 포함하는 신경 소자의 구동방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 전도성 필라멘트의 형성은 상기 상부 전극의 금속이 산화된 금속 이온이 상기 하부 전극으로부터 금속 원자로 환원되고 축적되어 형성되는 것을 특징으로 하는 신경 소자의 구동방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 전도성 필라멘트의 제거는 상기 축적된 금속 원자가 산화되어 상기 상부 전극으로 이동하여 달성되는 것을 특징으로 하는 신경 소자의 구동방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 양전압차를 무조건 자극으로 사용하고, 상기 음전압차를 조건 자극으로 사용하는 것을 특징으로 하는 신경 소자의 구동방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 무조건 자극과 상기 조건 자극의 반복 인가 횟수가 증가함에 따라 상기 신경 소자는 무조건 자극과 동일한 저저항 상태에 진입하는 것을 특징으로 하는 신경 소자의 구동방법.
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