- 극성 게이트-비극성 채널 trade-off 한계 극복… 안정된 전기적 뉴런 신경망 구현
- 단일 소자로 3.5V 이하 저전압 조건에서 메모리 특성 및 AI-하드웨어 학습 구현
- 차세대 소재·소자 분야 국제학술지 ‘Advanced Science(IF=14.1)’ 게재

▲ 왼쪽부터 에너지신소재공학과 권순철 교수, 이성민 석사과정생

동국대학교 에너지신소재공학과 권순철 교수 연구팀(교신저자 권순철 교수, 제1저자 이성민 석사과정생)이 두 이온성 물질 사이에서 자발적으로 일어나는 이온 교환(ion exchange)​을 이용해 장기 기억 특성과 구동 안정성을 동시에 높인 고성능 유기 뉴로모픽 소자를 개발했다. 이번 연구는 간단한 용액 혼합만으로 유기반도체의 전기화학적 도핑을 제어하는 새로운 재료 설계 전략으로 주목받고 있다.

뉴로모픽 컴퓨팅 기술에 생물학적 신경망의 특성을 구현하기 위해서는 다수의 트랜지스터와 복잡한 주변 회로가 필요해, 기존 실리콘 기반 CMOS 기술로는 고집적·저전력 뉴로모픽 시스템 구현이 어려웠다. 대안으로 주목받는 이온-겔 기반 유기 전기화학 트랜지스터(IG-OECT)는 단일 소자에서 정교한 이온 이동 제어를 통해 연속 전도 변화가 가능하지만, 게이트 층의 이온-겔 및 채널 층의 유기반도체 극성 간 불일치로 인해 장기 구동 환경에서 뇌 신경망 모사 능력이 제한됐다.

연구팀은 유기반도체에 고체 상태의 이온성 물질 [DMIM]+[PF₆]- (I1)과 액체 이온성 물질 [EMIM]+[TFSI]- (I2)를 함께 도입한 새로운 삼원계 유기 혼합 시스템을 설계해 문제를 해결했다. I1의 긴 알킬 사슬은 P3HT의 알킬 측쇄와의 친화성을 높여 안정적으로 박막을 형성하고, 추가 도입된 I2는 I1 내부의 강한 양이온–음이온 결합을 재구성하는 이온 교환 역할을 한다.

연구팀의 밀도범함수이론(DFT) 및 분자동역학 계산에 따르면, I2 도입 시 두 이온성 액체 사이에 자발적인 이온 교환 현상이 발생하고, 기존 I1의 강한 이온성 응집을 완화해 유기반도체와 이온성 물질이 균일하게 공존할 수 있는 환경을 형성했다. 전자현미경 분석을 통해 기존 이원계 혼합 전략에서 관찰됐던 뚜렷한 상분리가 삼원계 혼합 전략에서는 크게 완화되는 것 역시 확인했다.

개발된 삼원계 유기 뉴로모픽 소자는 −3.5V의 낮은 게이트 전압에서도 안정적으로 동작했으며, 50회의 전기적 자극 이후 1,500초가 지나도 초기 강화된 전류의 약 60.7%를 유지했다. 이는 기존 유기 뉴로모픽 소자가 약 7% 전류를 유지한 것에 비해 크게 향상된 수치다. 소자는 밀리초 수준의 짧은 자극에도 반응하고, 25시간 이상의 장기 기억 특성 및 최대 50단계로 구분되는 전도 상태를 보였으며, 일반적인 thiophene계 P3HT뿐 아니라 높은 결정성을 갖는 DPP 기반 donor–acceptor 고분자에서도 향상된 반복 구동 안정성 및 시냅스 특성을 보였다.

또한, 연구팀은 실제 인공지능 하드웨어 적용 가능성을 검증하기 위해 장기강화(LTP)와 장기억제(LTD)를 이용해 인공신경망의 가중치 업데이트 특성을 구현했다. 개발된 소자는 Hardware-aware convolutional neural network(CNN)를 이용한 손글씨 이미지 분류에서 약 98% 수준의 MNIST 인식 정확도를 달성해 뉴로모픽 인공지능 하드웨어로서의 가능성을 확인했다.

권순철 교수는 “유기반도체의 분자구조 자체를 변화시키는 대신, 두 이온성 물질 사이의 자발적인 이온 교환을 이용해 반도체 내부 이온 이동과 전기화학적 도핑 환경을 제어했다는 점에서 의미가 크다”며, “특히, in situ X선 및 Raman 분석을 활용해 이온 침투에서 구조 변화와 polaron 형성, 장기 기억으로 이어지는 과정을 직접 규명해, 고신뢰성·저전력 유기 뉴로모픽 소자 설계를 위한 차세대 재료 전략을 제시했다”고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 한국에너지기술평가원(KETEP)과 산업통상자원부(MOTIE)의 지원(No. 20224000000020) 및 과학기술정보통신부(MSIT)의 지원을 받아 한국연구재단(NRF)이 지원한 연구(RS-2024-00421857)로 수행됐으며, <Ion-exchange-driven ternary organic neuromorphic devices with high efficiency and stability>라는 제목으로 차세대 소재·소자 분야 국제 학술지 「Advanced science (IF = 14.1)」에 9월 8일 온라인 게재됐다.