초록 ▼

□ 연구 목표 및 내용
○ 최종 목표
고신뢰성 이미지 인식 시스템을 구현하기 위해 곤충 눈 구조를 모사한 고광반응성, 고 균일성, 초광각 지능형 광 트랜지스터 어레이를 개발한다.
1. 수직구조 기반 지능형 광 트랜지스터 개발.
2. 소자 내 소스 전극의 기하구조와 광 감지 및 시냅스 특성 사이의 상관관계 규명.
3. 규칙적인 금속 나노와이어 정렬기술을 활용하여 곤충의 홑눈과 겹눈 구조를 모사한 고광반응성(high photoresponsivity), 고균일성(high uniformity) 시냅스 특성을 갖는

□ 연구 목표 및 내용
○ 최종 목표
고신뢰성 이미지 인식 시스템을 구현하기 위해 곤충 눈 구조를 모사한 고광반응성, 고 균일성, 초광각 지능형 광 트랜지스터 어레이를 개발한다.
1. 수직구조 기반 지능형 광 트랜지스터 개발.
2. 소자 내 소스 전극의 기하구조와 광 감지 및 시냅스 특성 사이의 상관관계 규명.
3. 규칙적인 금속 나노와이어 정렬기술을 활용하여 곤충의 홑눈과 겹눈 구조를 모사한 고광반응성(high photoresponsivity), 고균일성(high uniformity) 시냅스 특성을 갖는 수직구조 기반 지능형 광 트랜지스터 개발.
4. 수직구조 기반 지능형 신축성 광 트랜지스터 개발.
5. 고신뢰성의 차세대 이미지 인식 시스템 구현을 위해 곤충 겹눈의 3차원 구조를 갖는 수직구조 기반 지능형 신축성 광 트랜지스터 어레이 개발.

○ 전체 내용
본 연구에서는 수직구조 기반 지능형 광 트랜지스터를 개발하고, 전극 기하 구조와 소자 특성 사이의 상관관계를 규명하여 그 물리적 기반을 마련한다. 또한, 곤충의 겹눈 형태를 모사한 고 광 반응성, 고 균일성, 초광각 특성의 수직구조 기반 지능형 유연 광 트랜지스터 어레이를 개발한다. 최종적으로, 고신뢰성의 차세대 이미지 인식 시스템을 구현한다.
연구의 방향은 크게 5가지로 나누어진다.
1) 수직구조 기반 지능형 광 트랜지스터 설계, 2) 소스 전극의 기하 구조(전극 내 천공의 밀도/크기)가 소자의 광 반응/시냅스 특성에 미치는 영향에 대해 규명, 3) 고 광 반응성, 그리고 고 균일성 시냅스 특성을 갖는 수직구조 기반 지능형 광 트랜지스터를 개발. 규칙적인 금속 나노와이어 정렬기술을 활용하여 곤충의 겹눈 구조와 유사한 소스 전극 구조를 높은 신뢰도로 형성하고, 앞선, 물리적 규명을 바탕으로 전극 내 천공 크기와 밀도의 최적화를 통해 높은 광 반응성/균일도의 시냅스 특성을 갖는 지능형 광 트랜지스터 설계 및 제작. 4) 수직구조 기반 초광각 지능형 신축성(stretchable) 광 트랜지스터 개발. 5) 고신뢰성의 차세대 이미지 인식 시스템을 개발. 앞서 개발한 수직구조 기반 지능형 신축성 광 트랜지스터를 어레이 집적하여 곤충 겹눈 형태의 3차원 구조로 제작하고, 다양한 각도에서 입력되는 광 이미지를 높은 신뢰도로 인식하는 시스템 구현.
본 연구의 독창성은 다음과 같다. 1) 수평구조 대비, 높은 광 반응 특성과 넓은 감지영역을 갖는 수직구조 기반 지능형 광 트랜지스터를 최초로 개발하고, 해당 소자의 기하 구조가 광 감지 및 시냅스 특성에 미치는 영향들을 규명하여 2) 그 이론적 기반을 마련한다. 3) 곤충의 겹눈 구조를 일부 모사한 수직구조 기반 지능형 광 트랜지스터를 개발하여 높은 광 반응성과 균일성의 시냅스 특성을 구현한다. 4) 최초로 웨어러블 전자 시스템에 적용될 수 있는 수직구조 기반 초광각 지능형 신축성 광 트랜지스터를 개발한다. 5) 개발된 소자들을 곤충 겹눈 형태의 3차원 구조로 완전 모사하여 어레이로 집적, 고신뢰도의 광 이미지 인식 시스템을 구현하여 해당 기술의 실질적 산업 경쟁력을 보인다.

○ 1단계
● 연구목표
1단계의 연구 목표는 수직구조 기반 지능형 광 트랜지스터의 개발과 광반응 특성 향상을 위한 소자 최적화 이다.
- 1차년도: 수직구조 기반 지능형 광 트랜지스터를 설계 및 제작하여, 해당소자의 광 반응 특성과 시냅스 특성을 측정, 평가한다.
- 2차년도: 소자 내 소스 전극 구조(천공 크기 및 밀도)에 따른 소자 동작 특성 사이의 상관관계를 규명하고, 이를 통해 소자 구조를 최적화 한다.
- 3차년도: 곤충의 겹눈 구조를 일부 모사한 고성능 수직구조 기반 지능형 광 트랜지스터를 개발한다. 곤충의 홑눈과 겹눈 구조를 모사하는 소스 전극 형성기술을 개발하고, 고광반응성, 고균일성의 시냅스 특성을 갖는 수직구조 기반 지능형 광 트랜지스터 개발 연구를 수행한다.

● 연구내용
[1차년도: 수직구조 기반 지능형 광 트랜지스터를 설계 및 제작]
- 소스/소스 절연막 배열에 따른 수직구조의 소자 특성 연구: 기존 수직구조에서의 높은 누설전류 문제를 해결하기 위해, 소스 절연막 배열 변화에 따른 수직 구조 소자 특성 변화를 연구한다.
- 광 시냅스 특성 구현: 수평구조의 지능형 트랜지스터 제작에 주로 사용되는 게이트 절연층과 반도체층 사이 계면에서의 전하 트랩 현상을 이용한다. 또한, 게이트 절연막 표면에 기능기(functional group) 또는 금속 나노 파티클과 같은 인위적인 트랩 사이트를 추가할 수 있다.
[2차년도: 소스 전극 구조에 따른 소자 동작특성 사이의 상관관계 규명]
- 소스 전극 구조에 따른 소자 특성 최적화 방안 연구: 지능형 광 트랜지스터의 시냅스 특성이 주로 트랩된 전하에 의해 나타나므로, 소스 전극 천공 크기와 밀도 변화에 따라 광유도 및 트래핑되는 전하량을 분석하여 광반응/시냅스 특성을 최적화하는 연구를 진행한다.
[3차년도: 곤충의 겹눈 구조를 모사한 고성능 수직구조 기반 지능형 광 트랜지스터 개발]
- 곤충의 홑눈과 겹눈 구조를 모사한 소스 전극 형성기술 개발: 곤충의 홑눈/겹눈 구조로 인해 빛의 방향 및 각도에 상관없이 균일한 광감지가 가능하다. 규칙적인 나노 그물 형태의 소스 전극 구조를 제작하는 방법을 개발하며, 이때 금속 나노와이어 정렬 기술 등이 활용될 수 있다.
- 고 광반응성, 고 균일성 시냅스 특성을 갖는 수직구조 기반 지능형 광 트랜지스터 개발: 2차년도 소스 전극에 따른 소자 성능 최적화 방안과 기 개발된 균일한 형태의 나노 그물 소스 전극 구조를 도입하여, 광반응성, 고균일성의 시냅스 특성을 갖는 최적화된 수직구조 기반 지능형 광트랜지스터를 개발한다.

○ 2단계
● 연구목표
2단계의 연구 목표는 수직구조 기반의 지능형 신축성 광 트랜지스터를 개발하고, 이를 활용하여 광 이미지 인식 시스템을 구현하는 것이다.
- 4차년도: 수직구조 기반 지능형 신축성 광 트랜지스터를 개발한다. 최적화를 통해 신축성 기판에서도 우수한 광반응/시냅스 특성을 나타내는 소자 개발하고, bending/twisting cycle test를 통해 소자의 내구성을 평가한다.
- 5차년도: 고신뢰성, 초광각의 광 이미지 인식 시스템을 구현한다. 신축성 수직구조 기반 광 트랜지스터를 3차원 구조에 어레이로 집적하여, 다양한 각도로 입사되는 광 이미지의 인식 정확도를 평가 및 분석한다.

● 연구내용
[4차년도: 수직구조 기반 지능형 신축성 광 트랜지스터 개발]
- 신축성 단일 소자 개발: 1단계에서 개발된 수직구조 기반 광 트랜지스터를 신축성 기판 위에 제작하고, 그 기계적 내구성을 평가, 검증한다. 이때 1단계에서 구축된 소자 최적화 기반 기술들을 활용하여 신축성 소자의 광반응/시냅스 특성 및 균일성을 향상하여 최적화 시킨다.
[5차년도: 어레이 기반 고신뢰성·초광각의 광 이미지 인식 시스템 구현]
- 3차원 구조의 소자 어레이 집적: 활용 소재가 유기물로 이루어져 기계적 유연성을 지니기 때문에 신축성 기판 위로의 제작이 가능하다. 이때, 게이트/드레인 전극은 신축성을 지닌 전도성 고분자 등을 활용할 수 있다. 신축성을 지닌 수직구조 기반 지능형 광 트랜지스터를 볼록한 형태의 3차원 구조로 집적, 곤충 눈의 형태를 완벽히 모사한다.
- 초광각·고신뢰성의 광 이미지 인식 시스템 구현: 오프라인 학습(offline learning)방법을 활용하여 각 셀의 전도도를 이론적인 연산 결과에 근거하여 조절, 특정 광 이미지에 대한 인식 정확도를 검증한다. 이때, 다양한 광 이미지 입사 각도에 따른 인식률을 평가하여 연구를 완료한다.

□ 연구성과
[정성적 성과]
○ 수직구조 기반 지능형 광 트랜지스터의 설계 및 동작 원리 연구
- 수직구조 기반 지능형 광 트랜지스터 설계를 위하여, simulation tool(Atlas, Silvaco)을 활용하여, 소스 절연막과 소스 전극 배치에 따른 전하 이동 특성을 확인하고, 소자의 동작 원리 연구.
○ 소스 전극의 단위 천공 크기/밀도와 소자 특성사이 상관관계 규명
- 곤충의 홑눈 구조를 모사하는 네트워크 형태의 소스 전극을 갖는 수직구조 기반 광 트랜지스터에서 단위 천공 밀도 변화(소스에 대한 소스 절연막의 돌출 정도에 따른 변화)에 따른 소자 전기적 특성 변화 simulation 분석.
- 단위 천공의 크기(소스 전극의 너비는 동일한 상태로, 천공 크기만 변화)에 따른 전기적 특성 변화 simulation 분석.
- 단위 천공 구조 변화에 따른 소자 특성 분석, 소스 천공 구조 최적화.
○ 곤충의 겹눈 구조를 일부 모사한 고성능 수직구조 기반 지능형 광 트랜지스터 개발
- 곤충의 겹눈 구조를 모사하는 고균일성 네트워크 소스 제작 기술 개발.
- 고성능 수직구조 기반 지능형 광 트랜지스터 제작.
- 소스 전극의 단위 천공 구조 변화에 따른 소자 특성 변화 측정 및 분석.
- 수직구조 기반 광 트랜지스터에서 전하 트래핑 게이트 절연막 도입에 따른 시냅스 특성 연구.
- 수평구조, 종전 일반 수직구조 및 제안된 고성능 수직구조(개발 구조) 기반의 광 트랜지스터 제작 및 광반응 특성 비교.
- 고성능 수직구조 광 트랜지스터의 다양한 광신호에 따른 광반응 특성 및 시냅스 특성 연구.
- 규칙적인 네트워크 전극 기반 수직 구조 소자의 전기적/광학적 균일성 및 고신뢰성 특성 검증.
- 소자 광반응도 성능 향상 전략 확보: 탄소나노튜브 기반 반도체 층 도입
○ 고성능 수직구조 광 트랜지스터 기반 이미지 인식 시스템 설계 및 성능 검증
- 개발된 수직구조 기반 지능형 광 트랜지스터의 하드웨어 광 인공 신경망 활용 가능성 시스템 레벨 검증 수행.
○ 2단계: 수직구조 기반 지능형 신축성 광 트랜지스터 개발, 어레이 기반 고신뢰성·초광각의 광 이미지 인식 시스템 구현 예정(표1. 4, 5차년도 참고)

[정량적 성과]
1단계 기간(2021.03-2023.02) 동안 관련 연구들을 SCIE급 8편 (주저자 6편, 공저자 2편)과 국내논문 1편에 게재 완료하였다. 2단계에서는 신축성 소자 제작 및 어레이화를 통한 광 이미지 인식 시스템 구현을 목표로, 1단계 연구결과를 활용하여 웨어러블 시스템 적용을 직접 검증하는 것으로써, 그 연구수준이 높을 것으로 예상되어 JCR 상위 5% 이내 논문 1편을 포함하여, SCIE급 5편을 추가 게재할 예정이다.

□ 연구성과의 활용 계획 및 기대효과
- 연구 과제를 통해 확보한 기술은 다양한 유연한 전자 소자 및 웨어러블 이미지 인식 시스템 생산에 적용될 수 있으며, 시각적 자극 감지와 처리를 담당하는 센서, 연산, 메모리 시스템은 IoT 및 스마트 웨어러블 디바이스 산업 발전의 핵심으로, 이는 690억 달러 규모의 웨어러블 기기 시장에서 국가 경쟁력을 확보하는데 이바지할 것이다.
- 개발된 고집적 패터닝 기술, 전극/절연막의 자기정렬 기술, 소자 기하 구조에 따른 전하 분포 특성 분석 기술, 수직구조 트랜지스터 구동에 대한 물리적 기반 지식과 2단계에서 개발될 어레이 및 시스템 제작·응용 기술, 신축성 소자 제작 기술은 관련된 다양한 광·전자 소자 분야(광센서, 트랜지스터, 뉴로모픽 전자소자-멤리스터, 시냅스 트랜지스터 등)에서 고집적 어레이 및 시스템 개발, 소자 최적화 및 고성능 소자 개발을 위한 기반 기술로 활용되어 국제적 학문적, 산업적 경쟁력을 높일 수 있다.
- 이는 금번 연구가 웨어러블 디바이스, 인공 지능 및 IoT 스마트 센서, 연산·메모리 시스템 등 폭넓은 분야에 활용될 수 있는 요소 기술 개발을 포함하여, 미래 ICT 산업 시장을 주도하는 핵심 기술이 될 수 있음을 의미한다.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요약문 ... 2
• 목차 ... 7
• 1. 연구과제의 개요 ... 8
• 1) 연구의 목적 및 필요성 ... 8
• 2) 최종 연구 목표 ... 8
• 3) 연구 범위 ... 8
• 2. 연구과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 9
• 1) 수직구조 기반 지능형 광 트랜지스터 설계 및 동작 원리 연구 (1년차) ... 9
• 2) 소자구조와 동작 특성 사이 상관관계 규명 (2년차) ... 10
• 3) 곤충의 겹눈 구조를 일부 모사한 고성능 수직구조 기반 지능형 광 트랜지스터 개발 (1, 2, 3년차) ... 10
• 4) 고성능 수직구조 광 트랜지스터 기반 이미지 인식 시스템 설계 및 성능 검증 (3년차) ... 17
• 3. 연구과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 17
• 1) 연구수행 결과 ... 17
• 2) 목표 달성 수준 ... 18
• 3) 목표 미달 시 원인 분석 ... 18
• 4) 중요 연구변경 사항 ... 19
• 4. 연구성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 19
• 5. 연구성과의 관리 및 활용 계획 ... 19
• 1) 연구성과 관리 추진체계 ... 19
• 2) 연구성과 활용 계획 ... 19
• 6. 다음 단계 연구계획 ... 20
• 1) 연구 목표 및 내용 ... 20
• 2) 연구 추진전략 ... 20
• 3) 연구 추진일정 및 기대성과 ... 21
• 4) 다음 단계 연구비 사용계획 ... 21
• 5) 연구 성과의 활용방안 및 기대효과 ... 21
• 끝페이지 ... 42