초록 ▼

□ 연구의 목적 및 내용
< 1단계 >
나노소자 및 시스템 차원에서 초저전력이 가능하도록 하는 핵심기술을 개발하고, 초소형의 재구성 가능한 시스템 구현에 필요한 신경모방 소자 어레이의 2, 3차원 집적을 위한 핵심기술을 개발한다. 고신뢰성 3차원 나노소자, Memristor 소자 및 스위치 소자, 뉴로모픽 시스템에 필요한 CMOS소자 및 호환 가능 센서 개발, 초소형 배터리를 이용하여 무선 충전이 가능한 저전력 IC 개발을 수행하고, 뉴런 및 시냅스 모델링, 3차원 interconnect 기술을 개발함. 또한 에너지 분야

□ 연구의 목적 및 내용
< 1단계 >
나노소자 및 시스템 차원에서 초저전력이 가능하도록 하는 핵심기술을 개발하고, 초소형의 재구성 가능한 시스템 구현에 필요한 신경모방 소자 어레이의 2, 3차원 집적을 위한 핵심기술을 개발한다. 고신뢰성 3차원 나노소자, Memristor 소자 및 스위치 소자, 뉴로모픽 시스템에 필요한 CMOS소자 및 호환 가능 센서 개발, 초소형 배터리를 이용하여 무선 충전이 가능한 저전력 IC 개발을 수행하고, 뉴런 및 시냅스 모델링, 3차원 interconnect 기술을 개발함. 또한 에너지 분야를 위한 고성능, 고효율 나노전극재료를 개발함
▸Reliable 시냅스 모방 소자 구현 및 3차원 공정 architecture 개발 : Reconfigurable한 neuromorphic 시스템을 위한 시냅스 모방 소자를 구현하기위해, 본 연구에서는 독창적인 3차원 architecture를 고안하고 여기에 공정의 복잡도 없는 연구를 추진하려 한다.
▸뉴로모픽 시스템의 전기적 모델링 : 신경동작에 대한 이해를 토대로 독창적인 아키텍처의 재구성가능한 소자어레이를 구현한다. 또한 전기적 모델을 확보하여 단독 혹은 기존 시스템과 함께 전력소모 및 성능을 획기적으로 개선한다.
▸초저전력 나노 소자 구현 : 나노기술을 적용하여 위 시스템에 적용할 20nm 이하급 초저전력 단위소자를 개발한다. 소자는 0.7 V 이하의 VDD에서 동작하면서도 SS가 60 mV/dec.보다 작아 구동력이 충분하고 전력소모를 크게 개선한다. Recessed Active 구조를 가진 p-type TFET의 최적화를 통해 최소 성능을 가진 inverter를 제안, 회로설계 측면의 이슈들도 검토한다.
▸3차원 인터커넥트 핵심요소기술 개발 : 고집적 뉴로모픽 시스템을 구현하기 위해 저전력, 고효율이 가능한 옵티컬 인터커넥트 기술을 개발해 적용한다.
▸CMOS 공정의 고집적 Array 형태의 전기화학적 센서 개발 : CMOS 공정으로 4K 이상의 집적도를 가지는 ISFET 센서 구현, CMOS와 결합한 다양한 재료를 사용하여 바이오 센서 개발
▸무선 충전이 가능한 초소형 배터리를 내장한 저전력 IC기술 개발 : CMOS 칩과 호환되는 초소형 배터리 및 캐패시터의 Integration 기술 개발, RF 신호에 의한 무선 충전 가능한 회로를 설계하고 RFID 및 Memory 등 실제 제품을 이용한 배터리 연장, 동작 수명 측정
▸균일한 고성능 나노전극재료의 합성 기술 개발 및 리튬 이차전지와 슈퍼캐패시터 분야로의 응용 : 고성능, 고효율 나노전극재료를 개발하고 이를 이용한 에너지 저장 소자를 개발하고 최적화함, 에너지 저장 장치의 내구성 및 안정성 확보 기술 개발, 에너지 저장 소자와 에너지 저장 장치의 내구성 및 안정성 평가 시스템 및 기술 확보

< 2단계 >
나노 소자 및 시스템 차원에서 초저전력화를 가능하게 하는 뉴로모픽 시스템을 구현하기 위해, 구성요소가 되는 단위 시냅스 소자와 이로 구성되는 재구성 가능한 시냅스 어레이 및 뉴런 모방 회로를 개발하고, 2, 3차원 어레이 형성에 필요한 인터커넥트에 대한 핵심기술을 개발한다. 아울러 신뢰성 있는 습도 및 수질 센서 구현을 위해 FET　기반의 소자 및 어레이 구조를 개발한다. 또한 자외선(250nm이상)~적외선(1000nm이하) 영역의 복수의 Light Emitting Diode(LED)와 Photodiode (PD)로 구성된 array를 사용하여 실시간 수질 측정 시스템 기술을 개발한다. 아울러 에너지분야를 위한 고성능 고효율 나노전극재료의 개발과 고감도 중금속센서를 위한 전극개발을 목표로 한다.
▸시냅스 모방 소자 및 어레이 제작과 전기적 모델링 : 신경동작에 대한 이해를 토대로 독창적인 시냅스 모방 소자 및 재구성 가능한 소자어레이를 구현하며, 전기적 모델을 확보하여 뉴로모픽 시스템에 적용 가능토록 한다.
▸뉴런 모방 회로 설계 및 제작과 시스템 구성 : 전력 소모 및 동작의 신뢰성을 고려하여 뉴런 모방 회로를 설계 및 제작하며, 시냅스 어레이와 함께 뉴로모픽 시스템을 구성하여 기존의 CPU를 대체할 수 있는 새로운 정보 처리 시스템에 활용토록 한다.
▸3차원 인터커넥트 핵심요소기술 개발 : 고집적 뉴로모픽 시스템을 구현하기 위해 저전력, 고효율이 가능한 옵티컬 인터커넥트 기술을 개발해 적용한다.
▸스마트 수질 및 습도 센서 개발 : FET 기반의 저가 센서 플랫폼을 개발하고, 다양한 물질을 집적하여 수질 및 습도 센서를 제작한다. 이를 통해 기존의 센서와 차별화 되는 초소형, 저전력, 고신뢰성 센서를 개발하여 환경감시용 센서로 활용한다.
▸고성능, 고효율 나노전극재료 개발 및 새로운 합성기술 개발 : 에너지 저장 소자로 사용하고 더 나아가 반영구적으로 사용 가능한 고효율의 차세대 에너지 저장 장치 개발을 하고자 한다.
▸광 피드백 기술이 적용된 LED-PD 시스템을 이용한 고감도 수질 측정 달성 : 투과광/산란광을 대상으로 광 피드백 방법에 대한 이론적 모델링 및 실험을 통하여 최적화된 측정 조건 도출하고 복수의 LED 배열을 이용하여 단백질/미생물/독성화학물질/탁도 등 복수의 수질
▸Si 소자를 사용한 1~2um대 이상의 적외선 검출 가능성 연구 : PN 다이오드의 제너 접합 혹은 MOSFET GIDL 영역에서의 터널링을 사용하여 Si 밴드갭보다 작은 에너지를 가지는 광자를 측정한다 항목을 측정한다.

< 3단계 >
본 세부연구단에서는 초저전력 초소형 나노소자 및 집적시스템의 개발을 공통 목표로 삼는다. 이에 본연구단에서는 첫째, 소형 나노소자 및 집적시스템에 활용할 수 있는 나노전극재료 기반의 고성능 및 고효율 에너지저장장치 전극을 개발하고 둘째, 소자 차원과 시스템 차원에서 동시에 초저전력화를 가능하게 하는 2, 3차원 어레이 형성에 필요한 인터커넥트에 대한 핵심기술을 개발하고 셋째, 자외선적외선 영역의 복수 Light Emitting Diode (LED)와 Photodiode(PD)로 구성된 array를 사용하여 실시간 수질 측정 시스템 기술 개발하고 넷째, 고농도의 소금물을 nanoelectrokinetic phenomena를 이용하여 담수화 하며 source waste로부터 oil-contaminant를 효율적으로 제거하기 위한 기술 개발을 목표로 한다.
▸고성능, 고효율 나노전극재료 개발 및 새로운 합성기술 개발 :
- 탄소기반의 리튬/황 전극물질 개발
- 탄소/무기물 복합체 기반의 슈퍼커패시터 전극물질 개발
▸나노전기수력학을 이용한 방사형 농축기 기술 개발 :
- 전극 프린팅 공정과 기존 방사형 농축 장치 결합: 원형으로 전극을 기판 위에 프린팅하고, 방사형 농축 장치를 결합하고 전압을 가하여 산화, 환원 반응을 이용해 시료 농축을 시켜 초저전력 구현
- 양,음전하 물질 선택적 농축 및 추출 장치: 용액의 구성을 최적화 시키고 전극에 가하는 전압을 조절함으로써 바이오 시료 (대부분 음전하), 중금속 등 (양전하) 모두를 선택적으로 농축시킬 수 있는 장치 개발
▸복수의 LED와 PD로 구성된 초소형, 고감도 광센서 시스템의 개발 및 응용 :
- 스마트 펙토리를 위한 센서 개발, 제작 및 실제 필드테스트 진행
- 진피층 내 콜라겐, 엘라스틴, 수분 측정피부 센서 시작품 제작
- 센서를 통해 100명 이상의 샘플 데이터 확보 및 스펙트럼 데이터 해석

□ 연구개발성과
< 1단계 >
SCI 국제 전문 학술지 논문 발표 – 26편
국내외 특허 출원 및 등록 – 22건
< 2단계 >
SCI 국제 전문 학술지 논문 발표 – 52편
국내외 특허 출원 및 등록 – 35건
< 3단계 >
SCI 국제 전문 학술지 논문 발표 – 92편
국내외 특허 출원 및 등록 – 24건

□ 연구개발성과의 활용계획(기대효과)
< 1단계 >
▸3차원 재구성 가능 시스템에 관련된 원천특허 확보 및 이를 통한 국제경쟁력 제고
▸초저전력, 초소형, 초고집적에 관련된 재료, 소자, 공정, 시스템에 관련된 원천기술 확보, 고급 인력양성 및 기술 선도
▸현재 기술의 한계 극복 및 이들 기술의 융합화를 통한 새로운 기술 개발
▸기업 경쟁력 확보 및 일자리 창출
< 2단계 >
▸3차원 재구성 가능 시스템에 관련된 원천특허 확보 및 이를 통한 국제경쟁력 제고
▸초저전력, 초소형, 초고집적에 관련된 재료, 새로운 나노 전극 재료, 소자, 공정, 시스템에 관련된 원천기술 확보, 고급 인력양성 및 기술 선도
▸균일한 나노전극재료의 개발 연구를 통해 새로운 차세대 고성능 에너지저장소자용 전극재료의 개발이 기대되며 나노전극재료의 원천기술을 확보하는데 기여
▸IoT기술과 결합하여 스마트 워터 그리드 구축에 응용도리 수 있는 기반 제공 및 미래 물산업에서 요구되는 수질센서 시장 독점
▸현재 기술의 한계 극복 및 이들 기술의 융합화를 통한 새로운 기술 개발
▸기업 경쟁력 확보 및 일자리 창출
< 3단계 >
3차원 재구성 가능 시스템에 관련된 원천특허 확보 및 이를 통한 국제경쟁력 제고
▸초저전력, 초소형, 초고집적에 관련된 재료, 새로운 나노 전극 재료, 소자, 공정, 시스템에 관련된 원천기술 확보, 고급 인력양성 및 기술 선도
▸균일한 나노전극재료의 개발 연구를 통해 새로운 차세대 고성능 에너지저장소자용 전극재료의 개발이 기대되며 나노전극재료의 원천기술을 확보하는데 기여
▸현재 기술의 한계 극복 및 이들 기술의 융합화를 통한 새로운 기술 개발
▸핵심 기술 개발 및 특허 확보를 통한 해외 기술 의존도 경감
▸기업 경쟁력 확보 및 일자리 창출

(출처 : 요약문 4p)

Abstract ▼

□ Purpose & Contents
< 1단계 >
This research is performed to develop nano-scale deivce with core technologies for ultra-low power consumption and two - and three-dimensional integration of the neuromorphic device arrays required in ultra-small reconfigurable system. Development of high-reliable

□ Purpose & Contents
< 1단계 >
This research is performed to develop nano-scale deivce with core technologies for ultra-low power consumption and two - and three-dimensional integration of the neuromorphic device arrays required in ultra-small reconfigurable system. Development of high-reliable three-dimensional synapse-mimetic nano-devices, memristor and switching devices, TEG for verifying process variation of 0.3V CMOS devices, modeling of neuron and synapse and design of three-dimensional interconnection are carried out for this project.
▸Implementation of a reliable synapse-mimetic device : In this research, design of a creative three-dimensional architecture and investigation of its process without complexity for implementation of a synapse-mimetic device are included.
▸Electrical modeling of neuromorphic IT sysem　: Based on the understanding on neuron/synapse system, a reconfigurable neuromorphic system is constructed. Unique array architecture is devised and modeled so that we may use it as a stand-alone system or components to revolutionize existing ones.
▸Ultra-Low_Power (ULP) device element : A unit device for the array system is developed. Considering semiconductor technology trend, the device targets sub-20nm technology node featuring sub-0.7 V operation and moderate drive-current with extremely low off-current. Ideas to construct basic circuit units with the new elements are also within the scope of the research
▸3-D interconnect technology : To imitate the behavior of neural system and to increase the scaling density, we develop an optical interconnect of low power and high efficiency. By expanding the array architecture in 3-D using the interconnect, a final high-density 3-D neuromorphic IT system is completed.
▸CMOS compatible array type Electrochemical Sensr : More than 4 Kbit ISFET sensor for low power pH sensor application is realized. ISFET sensitivity and specificity using nano materials are enhanced.
▸Wireless rechargable battery integrated IC : Integration technology of CMOS compatible battery and capacitor is developed. Wireless rechargable RFID or memory device and measurement of battery life improvement is realized.
▸Application to development of nano electrode matertial, lithium battery and super capacitor : High performance, high efficiency nano electrode material is developed. Energy storage device is developed using nano electrode material. Technology to stabilize and test energy stroage device is completed.

< 2단계 >
In order to minimize the energy loss of an electronic system at system level as well as device level, we secure the core technologies to construct neuromorphic electronic systems. To attain this goal, we develop a unit synaptic device, re-configurable synapse array and neuron circuit. Furthermore, we also develop a single sensor device and a sensor array to achieve a highly reliable platform of smart metal ion detector and humidity sensor. In addition, we develop a real time water sensor system by utilizing an array of light emitting diodes (LED) and photodiodes(PD).This research project aims at enhancing the energy efficiency and performance of next-generation energy conversion and storage device and developing the electrode with low limit of detection for the heavy metal detecting sensor.
▸The fabrication and electrical modeling of synaptic devices and array : Based on the understanding on neuron/synapse system, a unique synaptic device and reconfigurable synapse array are constructed. In order to apply them to neuromorphic system, we also secure the electrical model.
▸The design/implementation of neuron circuits and system configuration : Considering power consumption and reliable characteristics, we design and manufacture the neuron circuits. As we constitute a neuromorphic system with neurons and synapse array, the system can be utilized to new information processing system that may replace conventional CPU.
▸3-D interconnect technology : To imitate the behavior of neural system and increase the integration density, we develop optical interconnects with low power and high efficiency. By expanding the array architecture in 3-D using the interconnect, a high-density 3-D neuromorphic system is pursued.
▸Development of smart metal ion detector and humidity sensor : We develop a low-cost sensor platform based on FET and fabricate a metal ion detector and a humidity sensor by using various kinds of chemical materials as sensing layers. By developing this low-cost, low-power and high-reliability sensor platform, we can utilize it for the environmental monitor.
▸Ultra-sensitive water sensor with optical feedback method using the LED-PD array : Based on the theoretical modeling and experimental justifications, the optical feedback system with a transmitted and scattered light will be optimized. The sensor is composed of more than 4 LEDs to detect multi-pollutants.
▸Development of high efficiency and performance nano-electrode materials & Synthesis of nano-electrode materials : we use a noble nano materials for high efficiency energy storage device. Finally, we will develop sustainable next generation energy storage and conversion devices.

< 3단계 >
Our research organization aims for development of multifunctional ultra-low-power VLSI. First, we synthesize high performance, high efficiency nanoelectrode material for energy storage device as a component of multifunctional ultra-low-power VLSI.. Second, we develop on-chip three dimensional interconnect array for ultra-low-power and high energ efficent electronics. Third, we develop real-time water quality measurement system technology consisting of multiple light emitting diodes (LED) and photodiodes (PD, from infrared to ultraviolet). Finally, we develop nanoelectrokinetic purification device that can electrosalinate and purify the source water while minimizing the oil contaminant.
▸Development of high performance, high efficiency nano electrode material and novel synthetic method:
- Developed electrode material for high-power supercapacitor with flexibility
- Developed electrode material for next-generation lithium ion battery with high capacity for semi-permanent uses.
▸Development of radial concentrator technology using nanoelectrohydraulics:
- Combination of electrode printing process and conventional radial concentration device: Circular electrode is printed on substrate, radial concentration device is combined, voltage is applied, and sample is concentrated by oxidation and reduction reaction to realize ultra low power
- Selective Concentration and Extraction of Positive and Negative Substance: Develop a device capable of selectively concentrating both bio sample (mostly negative charge) and heavy metal (positive charge) by optimizing composition of solution and controlling applied voltage
▸Development of highly sensitive water quality measurement method using optical feedback application system consisting of multiple LEDs and PD
- Developed sensor for smart factory, The developed sensor was fabricated and field tested for practical use
- Fabricated a prototype skin sensor that can detect amount of collagen, water and ellastin in human skin
- Data was collected from 100 users. The collected data was analyzed for commercialization

□ Results
< 1단계 >
SCI international journal publications: 26
registration of patents: 22
< 2단계 >
SCI international journal publications: 52
registration of patents: 35
< 3단계 >
SCI international journal publications: 92
registration of patents: 24

□ Expected Contribution
< 1단계 >
▸Procurement of original patent on three-dimensional reconfigurable system and improvement of national competitiveness
▸Securing path-breaking technologies and outstanding workforce on ultra-low-power system, device and, and manufacturing process and related material sciences
▸Overcoming limitation of current technology and new technology development by converging of these technologies
▸Procurement of business competitiveness and job creation
< 2단계 >
▸Procurement of original patent on three-dimensional reconfigurable system and improvement of national competitiveness
▸Securing path-breaking technologies and outstanding workforce on ultra-low-power system, device and, and manufacturing process and related material sciences
▸Merging with IoT technologies to enable the smart water grid system
▸Overcoming limitation of current technology and new technology development by converging of these technologies
▸Procurement of business competitiveness and job creation
< 3단계 >
▸strengthening of the national competitiveness in 3-D reconfigurable IT system area by securing the related core intellectual properties.
▸development of novel nanoelectrode material for new-generation energy storage device and acquirement of its original technology is expected through research on uniform nanoelectrode material
▸Merging with IoT technologies to enable the realization of smart water grid system and preoccupation of world market of water sensor in future water industry
▸Overcoming limitation of current technology and new technology development through convergence of technologies.
▸Reducing heavy dependence on foreign technology by securing the original technology and patents
▸Procurement of business competitiveness and job creation

(출처 : SUMMARY 7p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 보고서 요약서 ... 3
• 요약문 ... 4
• SUMMARY ... 7
• 목차 ... 10
• 제1장. 연구개발과제의 개요 ... 11
• 1. 연구개발 목적 ... 11
• 2. 연구개발의 필요성 ... 11
• 3. 연구개발 범위 및 연구수행 방법 ... 13
• 제2장. 연구수행내용 및 성과 ... 17
• 1. 연구 최종목표 및 실적 ... 17
• 2. 세부과제별 연구 최종목표 대비 실적 ... 19
• 제3장. 목표 달성도 및 관련 분야 기여도 ... 22
• 1. 최종 목표 ... 22
• 2. 목표 달성여부 (연구개발목표의 달성도) ... 22
• 3. 관련 분야 기여도 ... 24
• 4. 목표 미달성 시 원인(사유) 및 차후 대책 (후속 연구의 필요성 등) ... 28
• 제4장. 연구개발성과의 활용 계획 등 ... 29
• 제5장. 연구개발성과의 보안등급 ... 32
• 제6장. 국가과학기술종합정보시스템(NTIS)에 등록한 연구시설·장비 현황 ... 32
• 제7장. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전 조치 이행 실적 ... 32
• 1. 기술적 위험 요소 분석 ... 32
• 2. 안전 관리 대책 ... 33
• 제8장. 연구개발과제의 대표 연구 실적 ... 38
• 제9장. 기타 사항 ... 79
• 제10장. 참고문헌 ... 79
• 끝페이지 ... 80