동국대 권순철 교수팀, 고효율·고안정성 '차세대 유기 뉴로모픽 소자' 개발

- 고체·액체 이온성 물질 혼합해 자발적 이온 교환 유도…장기 구동 안정성 대폭 개선

- 3.5V 이하 저전압 구동 및 98% 이미지 인식 정확도 달성…국제학술지 '어드밴스드 사이언스' 게재

- 기존 유기 소자의 상분리 한계 극복, 고신뢰성 인공지능 반도체 설계의 새 이정표 제시

[비욘드포스트 이봉진 기자] 동국대학교 에너지신소재공학과 권순철 교수 연구팀이 두 이온성 물질 사이에서 발생하는 자발적인 이온 교환(Ion exchange) 현상을 이용해 장기 기억 특성과 구동 안정성을 동시에 끌어올린 고성능 유기 뉴로모픽 소자를 개발하는 데 성공했다.

단순한 용액 혼합만으로 유기 반도체의 전기화학적 도핑을 제어할 수 있는 새로운 재료 설계 전략을 제시해 학계의 주목을 받고 있다.
기존 실리콘 기반 CMOS 기술은 생물학적 신경망의 특성을 구현하기 위해 다수의 트랜지스터와 복잡한 주변 회로가 필수적이었다. 이로 인해 고집적·저전력 뉴로모픽 시스템을 구축하는 데 근본적인 한계가 따랐다.

이를 대체할 기술로 정교한 이온 이동 제어가 가능한 이온-겔 기반 유기 전기화학 트랜지스터(IG-OECT)가 조명받아 왔으나, 게이트 층의 이온-겔과 채널 층의 유기 반도체 간 극성 불일치 문제로 장기 구동 시 뇌 신경망 모사 능력이 크게 저하되는 과제를 안고 있었다.

권순철 교수팀(교신저자 권순철 교수, 제1저자 이성민 석사과정생)은 유기 반도체에 고체 상태의 이온성 물질(I1)과 액체 이온성 물질(I2)을 동시에 도입하는 독자적인 '삼원계 유기 혼합 시스템'을 설계해 기술적 돌파구를 마련했다.
연구팀의 밀도범함수이론(DFT) 및 분자동역학 계산 결과에 따르면, 액체 이온성 물질이 도입될 때 두 물질 사이에서 자발적인 이온 교환 현상이 발생한다. 이 현상이 기존 고체 이온성 물질의 강한 응집을 완화시켜, 결과적으로 유기 반도체와 이온성 물질이 상분리 없이 균일하게 공존하는 환경을 만들어낸다.
이렇게 개발된 삼원계 유기 뉴로모픽 소자는 -3.5V 이하의 낮은 전압 조건에서도 안정적인 동작을 보였다. 특히 50회의 반복적인 전기적 자극을 가한 뒤 1,500초가 경과한 시점에서도 초기 강화된 전류의 약 60.7%를 유지했다. 기존 유기 뉴로모픽 소자의 전류 유지율이 7% 수준에 머물렀던 것과 비교하면 비약적으로 향상된 수치다.

이와 함께 25시간 이상의 장기 기억 특성과 최대 50단계로 세분화되는 전도 상태를 구현해 냈으며, 인공신경망의 가중치 업데이트 특성을 활용한 손글씨 이미지(MNIST) 분류 테스트에서는 약 98%의 높은 인식 정확도를 달성해 차세대 AI 하드웨어로서의 실효성을 입증했다.

권순철 교수는 "유기 반도체의 분자 구조 자체를 변화시키는 대신, 두 이온성 물질 사이의 자발적인 이온 교환을 이용해 반도체 내부 이온 이동과 전기화학적 도핑 환경을 제어했다는 점에서 의미가 크다"고 밝혔다.

이어 "X선 및 라만(Raman) 분석을 통해 이온 침투에서 구조 변화, 폴라론(Polaron) 형성, 장기 기억으로 이어지는 전체 과정을 명확히 규명함으로써 고신뢰성·저전력 유기 뉴로모픽 소자 설계를 위한 차세대 재료 전략을 제시했다"고 평가했다.

한편, 이번 연구는 한국에너지기술평가원(KETEP), 산업통상자원부(MOTIE), 과학기술정보통신부(MSIT) 및 한국연구재단(NRF)의 지원으로 수행되었으며, 지난 9월 8일 차세대 소재·소자 분야 국제학술지 '어드밴스드 사이언스(Advanced Science)'에 온라인 게재됐다.

bjlee@beyondpost.co.kr