[한국대학신문 이정환 기자] 고려대학교(총장 김동원) 전기전자공학부 김태근 교수와 성균관대학교 첨단소재공학부 이내응 교수가 이끄는 연구팀은 전이금속 셀레나이드 반응 기술과 Au 나노입자가 도핑된 그래핀을 활용하여, 인공 시냅스 기능을 갖는 초박형 수직 박막 트랜지스터 (VTFT)를 데모하는데 성공했다.

연구 성과는 그 중요성을 인정받아 해당 분야 국제 저명 학술지인 〈Journal of Materials Science & Technology〉 [IF: 10.9, JCR (Journal Citation Reports): 상위 1.9%]에 12월 온라인 게재됐다.

논문제목은 Ultra-thin Vertical TFT Photosensor and Photosynapse Based on Au-Doped- Graphene under Transition Metal Selenide Reaction. 연구진은 Ting Kang (1저자/고려대), Adila Rani (공동1저자/고려대), Wanqi Ren (공동저자/고려대), M Junaid Sultan (공동저자/성균관대), 이내응 (공동교신저자/성균관대), 김태근 (교신저자/고려대)이다.

포토닉스와 뉴로모픽을 결합한 혁신적인 개념을 바탕으로 고감도 및 생체 모방 특성을 가진 인공 감광 시냅스의 개발은 고 집적화와 유연성을 실현하는 지능형 비전 시스템 구현을 위해 매우 중요하다. 이를 위해 최근 그래핀 이중 접합 구조의 감광성 시냅스 트랜지스터가 많이 연구되고 있으나, 종래의 트랜지스터에 비해 초단채널 및 고집적도 등 장점을 갖는 수직 박막 트랜지스터 (VTFT) 기반의 감광성 시냅스에 대한 연구는 아직 보고된 바 없다.

연구팀은 초박형 그래핀/텅스텐 디셀레나이드 (WxSex-1) 이종 접합을 기반으로 하는 광학 시냅스 기능을 갖는 새로운 VTFT를 개발하는데 성공했다. 대면적 제작을 위해 간단하고 쉽게 반복 가능한 전이금속 셀레나이드 반응 방법을 사용하여 WxSex-1 초단채널 층 (약 8 nm)을 제작했다. 또한, 그래핀 소스 전극 표면에 Au 나노 입자를 도핑함으로써 그래핀과 채널층의 접촉 장벽을 조절하여 정공 주입의 효과를 개선함으로써 소자 효율을 향상시켰다. 동시에 광 시냅스 응용에서 발생된 플라즈마 핫 전자가 WxSex-1 채널 층에도 큰 영향을 미쳐 소자의 광 시냅스 거동을 흥분성 (excitatory)에서 억제성 (inhibitory)으로 성공적으로 변화시켰다.

더욱이 Au 나노 입자가 도핑된 그래핀/WxSex-1 반데르발스 이중 접합 구조가 적용된 VTFT 소자는 높은 전류 변조 비율 (> 104)과 우수한 이동도 (~65.52 cm2 V-1s-1) 특성을 보였으며, 소자의 감광 반응도 최대치도 14 AW-1에 달했다.

전이금속 셀레나이드 반응 기술 기반으로 제작된 VTFT 소자가 대면적 제작에 용이하고 높은 전류 변조 비율을 가질 뿐만 아니라 광 감각 인공 시냅스 기능까지 수행할 수 있음을 보여주는 이번 연구 결과는 한국연구재단이 추진하는 리더(창의)연구사업 지원을 받아 수행됐다.