부산대학교 도서관

최근 뉴로모픽 시스템에 관한 인공 지능 (AI) 연구가 활발하게 연구되고 있다. 하지만 뉴로모픽 시스템에서 하드웨어인 소자에 대한 연구는 컴퓨팅을 위한 알고리즘 연구보다 상대적으로 부족하다. 그러므로 생체 신경망에서 기능을 모방하거나 적용할 수 있는 것을 목표로 하는 소자가 필요하다. 시냅틱 소자는 유기물 또는 무기물을 활용하여 다양한 형태로 개발되고 있으며, 그 중 전해질을 활용한 유기 시냅틱 소자에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 유기 시냅틱 소자의 장점은 유연성, 고효율, 저 비용 공정 프로세스 적용 등이 있다. 유기 시냅틱 소자는 주로 유기 전기화학 트랜지스터 (OECT), 유기 전해질 게이트 트랜지스터 (OEGT) 형태의 트랜지스터로 연구가 진행되고 있으며, 이번 학위 논문에서는 높은 전기용량을 보유한 고분자 젤 기반의 전해질을 절연체로 활용한 OEGT를 유기 시냅틱 소자로 사용하였다. OEGT는 기존의 유기 전계효과 트랜지스터 (OFET)의 채널이 정전기적으로 형성되어 2 차원만 형성된 것과 달리, 전해질층의 이온이 반도체층으로 침투되어 도핑 효과를 유발시키는 3 차원 채널도 형성된다. 3 차원 채널을 활용하는 OEGT의 도핑 효과를 유기 시냅틱 소자의 메모리 효과로 적용하는 연구적 전략이 필요하다.본 연구에서는 OEGT 구조의 유기 시냅틱 소자 내 반도체층과 절연체층의 소재 조합에 대한 설계 전략을 제시하였다. OEGT 내 반도체층은 poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) 물질을 활용하였다. PEDOT은 비휘발성 메모리 현상을 보이는 것으로 보고된 물질로 유기 시냅틱 소자에서 각광받는 소재이다. PEDOT은 카운터 이온과 결합된 상태로 OEGT, OECT 형태의 유기 시냅틱 소자에 활용되어 많은 연구가 진행되고 있다. 이번 학위 논문에서는 PEDOT 카운터 이온과 절연체층 내 양이온의 조합에 따른 가소성의 변화를 확인하였다. 특정 이온 조합을 에서 타 조합보다 상대적으로 높은 가소성과 뉴로모픽 컴퓨팅에서 뛰어난 인식률을 보인다는 것을 확인했다. 이는 이온 간의 바인딩(Binding) 에너지가 소자 내 이온젤 양이온 이동 속도에 영향을 미치기 때문이다. 해당 분석 결과에 대한 간접적인 근거로 임피던스 분광법 분석과 분광 전기 화학 분석을 진행하였다. 두번째 연구에서는 유기 시냅틱 소자 내 버퍼층을 도입함으로써 가소성을 향상시킬 수 있다는 가능성을 제시하였다. 버퍼층은 반도체층과 절연체층 사이에 적층함으로써 OEGT의 3 차원 채널 형성에 영향을 미쳤다. 기존의 OEGT 에서는 소자 내 메모리효과가 부족하여 가소성이 미약하는 부분을 개선하기 위해, 버퍼층을 도입하여 소자 내 메모리 효과를 향상시켰다. 메모리 효과가 향상된 이유는 버퍼층을 통해 절연체 층 내 양이온의 이동이 억제되었기 때문이다. 버퍼층으로 인해 향상되는 가소성을 극대화 시키기 위해 최적의 버퍼층 두께를 확인했다. 마지막으로 해당 버퍼층이 소자에 미치는 영향에 대해 간접적으로 검증하기 위해, 임피던스분광법 분석과 분광 전기 화학 분석을 통해 버퍼층의 두께에 따른 전기적 특성의 변화 경향성을 확인하였다.
Recently, artificial intelligence (AI) research through neuromorphic systems is being actively researched. However, research on hardware devices in neuromorphic systems is relatively inadequate than research on algorithms for computing. Therefore, there is a need for research on devices that can mimic or apply functions in biological neural networks. Synaptic devices are being developed in various forms using organic or inorganic materials, and research on organic synaptic devices using electrolytes is actively progressing. The advantages of organic synaptic devices include flexibility, high efficiency, and application of low-cost process processes. Organic synaptic devices are mainly being studied as organic electrochemical transistor (OECT) and organic electrolyte-gated transistor (OEGT) type transistors. In this thesis, OEGT, which uses a polymer gel-based electrolyte with high capacitance as an gate insulator, was used as an organic synaptic device. The conventional organic field-effect transistor (OFET) forms two-dimensional channel by electrostatic methods. But OEGT can have a three-dimensional structure of channel where ions in the electrolyte layer penetrate into the active layer and cause a doping effect. A research strategy is needed to apply the doping effect of OEGT using 3D channels as memory effects of organic synaptic devices.In first study, a design strategy for the material combination of an active layer and a gate insulator layer in an OEGT-structured organic synaptic device was presented. The active layer in the OEGT was made of poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) material. PEDOT has been reported to exhibit a non-volatile memory phenomenon, so it is spotlighted in utilizing in organic synaptic devices field. PEDOT combined with counter ions is used in organic synaptic devices such as OEGT and OECT, and many studies have been conducted. In this thesis, the change in plasticity according to the combination of PEDOT counter ions and cations in the gate insulator layer was confirmed. In certain combinations of ions, it showed relatively higher plasticity than other combinations and excellent recognition rates in neuromorphic computing. This is because the binding energy between ions affects the movement speed of ion gel cations in the device. Electrochemical impedance spectroscopy analysis and spectroelectrochemistry analysis were conducted as an indirect basis for the analysis results.The second study suggested the possibility of improving plasticity by introducing a buffer layer in an organic synaptic device. The buffer layer was deposited between the active layer and the gate insulator, and had an influence on the formation of the three-dimensional channel of the OEGT. In the conventional OEGT, in order to improve the area where plasticity is weak due to insufficient memory effect in the device, a buffer layer was introduced to improve the memory effect in the device. The memory effect is improved because the movement of cations in the gate insulator is suppressed through the buffer layer. In order to maximize the plasticity improved by the buffer layer, the optimum buffer layer thickness was confirmed. Finally, in order to indirectly verify the effect of the buffer layer on the device, the tendency of changes in electrical properties according to the thickness of the buffer layer was confirmed through impedance spectroscopy analysis and spectroscopic electrochemical analysis.