KR102483063B1 - Bio-memristive device and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
다양한 실시예들은 바이오 멤리스티브 소자 및 그의 제조 방법을 제공한다. 다양한 실시예들에 따른 바이오 멤리스티브 소자는, 기판, 기판 상에 배치되는 하부 전극층, 하부 전극층 상에 배치되고, 제인(Zein)을 포함하는 저항 변화층, 및 저항 변화층 상에 배치되는 상부 전극층을 포함할 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 바이오 멤리스티브 소자는 제인을 기반으로 구현됨에 따라, 인체 무해성을 획득할 수 있으며, 인체 무해성을 기반으로 인체에 융합될 수 있다. Various embodiments provide a bio-memristive device and a manufacturing method thereof. A bio-memristive device according to various embodiments includes a substrate, a lower electrode layer disposed on the substrate, a resistance change layer disposed on the lower electrode layer and containing zein, and an upper electrode layer disposed on the resistance change layer. can include According to various embodiments, as the bio-memristive device is implemented based on zein, it can obtain harmlessness to the human body and can be integrated into the human body based on the harmlessness to the human body.
Description
다양한 실시예들은 바이오 멤리스티브 소자 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.Various embodiments relate to a bio-memristive device and a manufacturing method thereof.
현재 상용화된 비휘발성 메모리인 플래시(Flash) 소자의 경우 스케일링 (scaling)의 어려움이 있으며, 낮은 동작 속도와 큰 소비 전력의 문제가 있어서, 이를 대체할 차세대 비휘발성 메모리 소자의 개발이 필요하다. 또한, 상보성 금속 산화물 반도체(complementary metal-oxide semiconductor; CMOS) 실리콘 기술을 기반으로 하는 기존의 디지털 컴퓨팅 시스템은 메모리 유닛과 중앙 처리 소자 간의 엄청난 전력 소모와 시스템 딜레이(delay)에 따른 폰 노이만 병목현상 문제점으로 인해, 최근 폭발적으로 증가되고 있는 데이터 처리량을 충족하기에는 어려움이 있다. 이러한 상황에서, 인간의 두뇌를 모사하는 뉴로모픽 시스템은 높은 수준의 병렬 연결로 구현되어 아주 적은 양의 에너지 소비로도 엄청난 양의 정보를 한 번에 처리 가능하기 때문에, 생체 모방 시스템을 기반으로 하는 하드웨어 플랫폼에 관련한 연구가 최근 활발하게 진행되고 있는 실정이다.In the case of a flash device, which is a commercially available non-volatile memory, scaling is difficult, and there are problems of low operating speed and large power consumption, so it is necessary to develop a next-generation non-volatile memory device to replace them. In addition, existing digital computing systems based on complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) silicon technology suffer from von Neumann bottlenecks due to enormous power consumption between memory units and central processing elements and system delay. Due to this, it is difficult to meet the data throughput that has recently been explosively increased. In this situation, since the neuromorphic system that mimics the human brain is implemented with a high degree of parallel connection and can process a huge amount of information at once with very little energy consumption, based on the biomimetic system Recently, research related to the hardware platform for
최근 전자공학 기술과 바이오 기술이 융합된 바이오 전자 기술의 발전으로 스마트 헬스케어를 위한 다양한 연구가 진행되고 있다. 스마트 헬스케어는 질병에 대한 진단과 치료를 가능하게 함으로써 인간의 건강 수명이 지속적으로 향상할 것이라 기대 받고 있다. 스마트 헬스케어의 핵심 구성요소 중 하나는 생체 모방 두뇌를 기반으로 하는 전자 시냅스 소자이다. 기존의 전자 시냅스 소자는 우수한 전기적 특성을 나타내는 무기물을 기반으로 제작되는데, 실제 인간의 피부에 부착하거나 인체 내부에 삽입하는 어플리케이션에 있어 유연 상태에서의 내구성을 확보하기 어렵다는 단점이 있다. Recently, with the development of bioelectronic technology in which electronic engineering technology and biotechnology are converged, various researches for smart healthcare are being conducted. Smart healthcare is expected to continuously improve human health lifespan by enabling diagnosis and treatment of diseases. One of the key components of smart healthcare is an electronic synaptic device based on a biomimetic brain. Existing electronic synaptic devices are manufactured based on inorganic materials that exhibit excellent electrical properties, but have a disadvantage in that it is difficult to secure durability in a flexible state in applications that are actually attached to human skin or inserted into the human body.
전술한 문제점을 해결하기 위해, 다양한 유기 기반 전자 시냅스 물질이 합성되고 있으며, 우수한 유연 특성을 보이면서도 무기 전자 소자 특성에 필적할 만한 우수한 전기적 특성의 유기 전자 소자가 최근 보고되고 있다. 이러한 유기 전자 소자의 경우에는 복잡한 합성 공정이 요구되며, 합성 중에 발생하는 다수의 부산물들이 환경 오염을 유발하는 등의 문제점을 내재한다. 또한, 개발된 무기 또는 유기물을 기반으로 하는 전자 소자들의 경우에는 인체 유해성에 대한 명확한 검증이 되지 않아, 추후 환자에게 추가적인 부작용이 유발될 수 있는 문제점이 존재한다. 따라서, 인체 무해성이 검증된 전자 시냅스 물질에 대한 개발이 시급한 실정이다.In order to solve the above problems, various organic-based electronic synapse materials have been synthesized, and organic electronic devices having excellent electrical properties comparable to those of inorganic electronic devices while exhibiting excellent flexibility have been recently reported. In the case of such an organic electronic device, a complicated synthesis process is required, and many by-products generated during synthesis cause environmental pollution. In addition, in the case of developed inorganic or organic material-based electronic devices, there is a problem in that additional side effects may be induced to patients in the future because harmfulness to the human body is not clearly verified. Therefore, there is an urgent need to develop electronic synapse materials whose harmlessness to the human body has been verified.
다양한 실시예들은, 인체 무해성을 기반으로 인체에 융합될 수 있는 고성능의 전자 시냅스 소자 및 그의 제조 방법을 제공한다. Various embodiments provide a high-performance electronic synaptic device that can be fused to the human body based on harmlessness to the human body and a manufacturing method thereof.
다양한 실시예들에 따른 인체 무해성을 기반으로 인체에 융합될 수 있는 바이오 멤리스티브 소자는, 기판, 상기 기판 상에 배치되는 하부 전극층, 상기 하부 전극층 상에 배치되고, 제인(Zein)을 포함하는 저항 변화층, 및 상기 저항 변화층 상에 배치되는 상부 전극층을 포함할 수 있다. A bio-memristive device that can be fused to the human body based on harmlessness to the human body according to various embodiments includes a substrate, a lower electrode layer disposed on the substrate, and a zein disposed on the lower electrode layer. It may include a resistance change layer and an upper electrode layer disposed on the resistance change layer.
다양한 실시예들에 따른 인체 무해성을 기반으로 인체에 융합될 수 있는 바이오 멤리스티브 소자의 제조 방법은, 제인(Zein)을 포함하는 혼합 용액을 준비하는 단계, 상기 혼합 용액을 이용하여, 기판 상에 배치되는 하부 전극층 상에 저항 변화층을 형성하는 단계, 및 상기 저항 변화층 상에 상부 전극층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. A method of manufacturing a bio-memristive device that can be fused to the human body based on harmlessness to the human body according to various embodiments includes preparing a mixed solution containing Zein, using the mixed solution, on a substrate The method may include forming a resistance change layer on the lower electrode layer disposed on and forming an upper electrode layer on the resistance change layer.
다양한 실시예들에 따르면, 바이오 멤리스티브 소자는 옥수수에서 간단하게 추출되는 제인(Zein)을 전자 시냅스의 핵심 소재로 이용함으로써, 우수한 동작 특성, 낮은 제작 비용 및 고밀도 집적화가 가능함은 물론, 궁극적으로는 인체 무해성을 기반으로 인체에 융합될 수 있는 고성능의 전자 시냅스 소자로서 구현될 수 있다. According to various embodiments, the bio-memristive device uses zein, which is simply extracted from corn, as a key material for electronic synapses, thereby enabling excellent operating characteristics, low manufacturing cost, and high-density integration, as well as ultimately It can be implemented as a high-performance electronic synapse device that can be fused to the human body based on harmlessness to the human body.
도 1은 다양한 실시예들에 따른 바이오 멤리스티브 소자를 도시하는 도면이다.
도 2는 다양한 실시예들에 따른 바이오 멤리스티브 소자의 제조 방법을 도시하는 도면이다.
도 3, 도 4, 도 5, 도 6, 도 7, 도 8, 도 9, 도 10a, 도 10b, 및 도 10c는 다양한 실시예들에 따른 바이오 멤리스티브 소자의 특성을 설명하기 위한 도면들이다. 1 is a diagram illustrating a bio-memristive device according to various embodiments.
2 is a diagram illustrating a method of manufacturing a bio-memristive device according to various embodiments.
3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10a, 10b, and 10c are diagrams for explaining characteristics of bio-memristive devices according to various embodiments.
이하, 본 문서의 다양한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. Hereinafter, various embodiments of this document will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1은 다양한 실시예들에 따른 바이오 멤리스티브 소자(100)를 도시하는 도면이다. 1 is a diagram illustrating a
도 1을 참조하면, 다양한 실시예들에 따른 바이오 멤리스티브 소자(100)는 제인(Zein)을 포함하는 저항 변화층(130)이 하부 전극층(120)과 상부 전극층(140)에 의해 샌드위치된(sandwiched) 2-단자(two-terminal) 구조로 구현될 수 있다. 이러한 바이오 멤리스티브 소자(100)는, 외부에서 인가되는 전압에 의해 저항 변화층(130)의 내부에서 필라멘트가 형성되고, 이에 따라 아날로그적 데이터 처리가 가능하다. Referring to FIG. 1 , in a
다양한 실시예들에 따른 바이오 멤리스티브 소자(100)는, 기판(110), 하부 전극층(120), 저항 변화층(130), 상부 전극층(140), 또는 연결 부재(150) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이 때 다양한 실시예들에 따른 바이오 멤리스티브 소자(100)는 제인(Zein)을 기반으로 구현되고, 이에 따라 바이오리스티브 소자(100)가 인체 무해성을 획득할 수 있으며, 인체 무해성을 기반으로 인체에 융합될 수 있다. 여기서, 제인(Zein)은 옥수수로부터 추출되는 식물성 단백질을 나타낼 수 있다.The
기판(110)은 하부 전극층(120), 저항 변화층(130), 상부 전극층(140), 또는 연결 부재(150) 중 적어도 하나를 지지할 수 있다. 예를 들면, 기판(110)은 P-도핑된 실리콘(P+ doped-Si), 폴리이미드(Polyimide), 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane; PDMS), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate; PET), 유리Glass), 또는 라이스 페이퍼(Rice paper) 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다. The
하부 전극층(120)은 기판(110) 상에 배치될 수 있다. 이 때 하부 전극층(120)은 복수의 하부 전극(121)들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 하부 전극(121)들은 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 또는 ITO(Indium Tin Oxide) 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다. 일 실시예에 따르면, 하부 전극(121)들은 십자(+) 형상으로 교차된 크로스바 어레이(cross-bar array) 형태로 배열될 수 있다. The
저항 변화층(130)은 하부 전극층(120) 상에 배치될 수 있다. 이 때 저항 변화층(130)은 제인(Zein)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 제인(Zein)은 하기 [화학식 1]과 같이 표현되는 α-제인 또는 β-제인 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 어떤 실시예들에서, 저항 변화층(130)은 추가 부재를 더 포함하며, 추가 부재는 제인(Zein)에 분산되어 있을 수 있다. 예를 들면, 추가 부재는 단일 금속, 복합 금속, 양자점, 코어-셸(core-shell) 양자점, 코어-셸-셸(core-shell-shell) 양자점, 금속 산화물, 금속 질화물, 또는 고분화 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 그리고, 추가 부재의 지름은, 약 5 nm 이상이고 약 100 nm 이하일 수 있다. The
상부 전극층(140)은 저항 변화층(130) 상에 배치될 수 있다. 이 때 상부 전극층(140)은 복수의 상부 전극(141)들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상부 전극(141)들은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 마그네슘(Mg), 텅스텐(W), 아연(Zn), 백금(Pt), 몰리브덴(Mo), 또는 철(Fe) 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다. 일 실시예에 따르면, 하부 전극(141)들은 십자(+) 형상으로 교차된 크로스바 어레이 형태로 배열될 수 있다. The
연결 부재(150)는 하부 전극층(120)과 상부 전극층(140)을 연결할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 연결 부재(150)는 금속 와이어(wire)를 포함할 수 있다. The connecting
도 2는 다양한 실시예들에 따른 바이오 멤리스티브 소자(100)의 제조 방법을 도시하는 도면이다. FIG. 2 is a diagram illustrating a method of manufacturing a
도 2를 참조하면, 다양한 실시예들에 따른 바이오 멤리스티브 소자(100)가 제조될 수 있다. 이 때 다양한 실시예들에 따른 바이오 멤리스티브 소자(100)는 제인(Zein)을 기반으로 구현되고, 이에 따라 바이오리스티브 소자(100)가 인체 무해성을 획득할 수 있으며, 인체 무해성을 기반으로 인체에 융합될 수 있다. 여기서, 제인(Zein)은 옥수수로부터 추출되는 식물성 단백질을 나타낼 수 있다.Referring to FIG. 2 , a
먼저, 210 단계에서, 제인(Zein)을 포함하는 혼합 용액이 준비될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 제인(Zein)이 용매에 혼합되어, 혼합 용액이 준비될 수 있다. 이 때 제인(Zein)이 용매 내에서 대략 24 시간 동안 분산되면서, 혼합될 수 있다. 여기서, 혼합 용액에 대해 제인(Zein)의 중량비는 대략 1wt%일 수 있다. 예를 들면, 제인(Zein)은 하기 [화학식 2]와 같이 표현되는 α-제인 또는 β-제인 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들면, 용매는 메탄올(Methanol), 에탄올(Ethanol), 아이소프로필알코올(Isopropyl alcohol), 아세톤(Aceton), 아세트 산(Acetic acid), 또는 다이메틸설폭시화물(dimethyl sulfoxide; DMSO) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 제인(Zein)과 함께, 추가 부재가 용매에 혼합되어, 혼합 용액이 준비될 수 있다. 여기서, 추가 부재는 용매 내에 분산될다. 예를 들면, 추가 부재는 단일 금속, 복합 금속, 양자점, 코어-셸(core-shell) 양자점, 코어-셸-셸(core-shell-shell) 양자점, 금속 산화물, 금속 질화물, 또는 고분화 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 그리고, 추가 부재의 지름은, 약 5 nm 이상이고 약 100 nm 이하일 수 있다. First, in
다음으로, 220 단계에서, 혼합 용액을 이용하여, 기판(110) 상의 하부 전극층(120) 상에 저항 변화층(130)이 형성될 수 있다. 이 때 하부 전극층(120)은 복수의 하부 전극(121)들을 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 저항 변화층(130)은 제인(Zein)으로 이루어질 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 저항 변화층(130)은 제인(Zein) 및 추가 부재를 포함할 수 있다. Next, in
구체적으로, 기판(110) 상에 하부 전극층(120)이 형성될 수 있다. 예를 들면, 기판(110)은 P-도핑된 실리콘(P+ doped-Si), 폴리이미드(Polyimide), 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane; PDMS), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate; PET), 유리Glass), 또는 라이스 페이퍼(Rice paper) 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 하부 전극(121)들은 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 또는 ITO(Indium Tin Oxide) 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다. 일 실시예에 따르면, 하부 전극(121)들은 십자(+) 형상으로 교차된 크로스바 어레이(cross-bar array) 형태로 배열될 수 있다. 예를 들면, 열 증착 기법, 스퍼터링(sputtering) 기법, 원자층 증착(atomic layer deposition; ALD) 기법, 증발(thermal evaporation) 기법, 펄스 레이저(pulsed laser depostion; PLD) 기법, 전자빔 증발(electron beam evaporation) 기법, 물리적 기상 증착(physical vapor deposition; PVD) 기법, 또는 화학적 기상 증착(chemical vapor deposition; CVD) 기법 중 적어도 하나를 통해, 기판(110) 상에 하부 전극층(120)이 형성될 수 있다. 어떤 실시예들에서는, 기판(110) 상에 하부 전극층(120)이 형성된 후에, 아세톤(Aceton), 메탄올(Methanol), 증류수 순으로 각 30 분씩 초음파 처리로 세정될 수 있다. Specifically, the
이어서, 하부 전극층(120) 상에 혼합 용액이 증착될 수 있다. 이 때 하부 전극층(120) 상에 혼합 용액이 제공된 다음, 혼합 용액이 증착될 수 있다. 예를 들면, 스핀 코팅(Spin coating) 기법, 스프레이 코팅(Spray coating) 기법, 바 코팅(Bar coating) 기법, 침지 코팅(Dip-coating) 기법, 커튼 코팅(Curtain coating) 기법, 슬롯 코팅(Slot coating) 기법, 롤 코팅(Roll coating) 기법, 또는 그라비어 코팅(Gravure coating) 기법 중 적어도 하나를 통해, 하부 전극층(120) 상에 혼합 용액이 증착될 수 있다. 일 예로, 스핀 코팅 기법을 약 2000 rpm으로 약 40 초 동안 진행하여, 하부 전극층(120) 상에 혼합 용액이 증착될 수 있다.Subsequently, a mixed solution may be deposited on the
계속해서, 하부 전극층(120) 상에서 혼합 용액의 용매 중 적어도 일부가 증발되고, 이를 통해 저항 변화층(130)이 형성될 수 있다. 예를 들면, 약 50 ℃에서 약 30 분 동안 열처리를 진행하여, 용매가 증발될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 용매가 증발됨에 따라, 제인(Zein)으로 이루어지는 저항 변화층(130)이 남을 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 용매가 증발됨에 따라, 제인(Zein) 및 추가 부재를 포함하는 저항 변화층(130)이 남을 수 있다. Subsequently, at least a part of the solvent of the mixed solution is evaporated on the
마지막으로, 230 단계에서, 저항 변화층(130) 상에 상부 전극층(140)이 형성될 수 있다. 이 때 상부 전극층(140)은 복수의 상부 전극(141)들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상부 전극(141)들은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 마그네슘(Mg), 텅스텐(W), 아연(Zn), 백금(Pt), 몰리브덴(Mo), 또는 철(Fe) 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다. 일 실시예에 따르면, 하부 전극(141)들은 십자(+) 형상으로 교차된 크로스바 어레이 형태로 배열될 수 있다. 예를 들면, 열 증착 기법, 스퍼터링(sputtering) 기법, 원자층 증착(atomic layer deposition; ALD) 기법, 증발(thermal evaporation) 기법, 펄스 레이저(pulsed laser depostion; PLD) 기법, 전자빔 증발(electron beam evaporation) 기법, 물리적 기상 증착(physical vapor deposition; PVD) 기법, 또는 화학적 기상 증착(chemical vapor deposition; CVD) 기법 중 적어도 하나를 통해, 저항 변화층(130) 상에 상부 전극(140)이 형성될 수 있다. 여기서, 상부 전극층(140)의 두께는 약 200 nm일 수 있다. 이 후, 연결 부재(150)를 통해, 하부 전극층(120)과 상부 전극층(140)이 연결될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 연결 부재(150)는 금속 와이어를 포함할 수 있다. Finally, in
도 3, 도 4, 도 5, 도 6, 도 7, 도 8, 도 9, 도 10a, 도 10b, 및 도 10c는 다양한 실시예들에 따른 바이오 멤리스티브 소자(100)의 특성을 설명하기 위한 도면들이다. 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10a, 10b, and 10c are diagrams for explaining characteristics of the
도 3을 참조하면, 저항 변화층(130)을 형성하기 위한 혼합 용액에 대해, 다양한 용매들이 이용될 수 있다. FT-IR 실험 결과에 따르면, 용매들의 각각에 따른 저항 변화층(130)의 화학적 구조가 도 3에 도시된 바와 같이 나타났다. 도 3에 따르면, 저항 변화층(130)이 어떤 용매를 사용하여 형성되는 저항 변화층(130)도, 순수하게 제인(Zein) 만으로 형성된 저항 변화층(130)과 유사한 특성을 갖는다. 그 중에서도, 용매로서 메탄올을 사용하여 형성되는 저항 변화층(130)의 화학적 구조가 순수하게 제인(Zein)만으로 형성되는 저항 변화층(130)의 화학적 구조와 가장 유사하다. 이하에서는, 일 실시예에 따른 바이오 멤리스티브 소자(100)에 대해 측정된 특성을 설명할 것이며, 일 실시예에 따른 바이오 멤리스티브 소자(100)는 용매로서 메탄올을 사용하여 형성되는 저항 변화층(130)을 갖는다. Referring to FIG. 3 , various solvents may be used for a mixed solution for forming the
도 4 및 도 5는 일 실시예에 따른 바이오 멤리스티브 소자(100)의 스위칭 특성을 나타낸다. 이 때 도 4는 일 실시예에 따른 바이오 멤리스티브 소자(100)의 직류 전압에 대한 스위칭 특성을 나타낸다. 도 4에 따르면, 일 실시예에 따른 바이오 멤리스티브 소자(100)는 50 회의 반복 측정 동안 균일한 스위칭 특성을 나타낸다. 그리고, 도 5는 일 실시예에 따른 바이오 멤리스티브 소자(100)의 교류 전압에 대한 스위칭 특성을 나타낸다. 도 5에 따르면, 일 실시예에 따른 바이오 멤리스티브 소자(100)는 10,000 회의 반복 측정 동안 안정적인 스위칭 특성을 나타낸다. 4 and 5 show switching characteristics of the
도 6은 일 실시예에 따른 바이오 멤리스티브 소자(100)의 저장 안정성 특성을 나타낸다. 도 6에 따르면, 일 실시예에 따른 바이오 멤리스티브 소자(100)는, 10,000 초 동안 저장된 정보가 사라지지 않는 비휘발성 특성을 나타낸다. 6 shows storage stability characteristics of the
도 7은 일 실시예에 따른 바이오 멤리스티브 소자(100)의 I-V 스위칭 특성의 선형 필터링 결과를 나타낸다. 도 7에 따르면, 일 실시예에 따른 바이오 멤리스티브 소자(100)는, 스위칭 거동의 주 원인인 필라멘트 형성에 있어, 0.2 V 이상의 외부 전압에서 오믹 컨덕션(Ohmic conduction)을 벗어나 열적으로 생성된 자유 전하보다 외부 압에 의해 주입된 전하가 증가되는 공간 제한 전류(Space carge limited current, SCLC)를 나타낸다.FIG. 7 shows linear filtering results of I-V switching characteristics of the
도 8은 일 실시예에 따른 바이오 멤리스티브 소자(100)의 유연성 테스트 결과를 나타낸다. 도 8에 따르면, 일 실시예에 따른 바이오 멤리스티브 소자(100)는, 35 mm의 굴곡에서도 안정적인 스위칭 거동을 나타내며, 2,000회의 반복 기계적 응력에서도 안정적인 스위칭 거동을 보인다.8 shows flexibility test results of the
도 9는 일 실시예에 따른 바이오 멤리스티브 소자(100)의 멤리스티브 특성을 나타낸다. 도 9에 따르면, 일 실시예에 따른 바이오 멤리스티브 소자(100)는 반복된 동일 외부 자극에 대해 아날로그 스위칭 특성을 나타낸다. 9 shows memristive characteristics of the
도 10a, 도 10b, 및 도 10c는 일 실시예에 따른 바이오 멤리스티브 소자(100)의 인체 무해성 실험 결과를 나타낸다. 여기서, 도 10a는 남성 피부 세포 생존 실험 결과를 나타내고, 도 10b는 여성 피부 세포 생존 실험 결과를 나타내고, 도 10c는 일 실시예에 따른 바이오 멤리스티브 소자(100)의 남성 세포 생존 실험 결과 및 여성 피부 세포 생존 실험 결과와 다른 실시예에 따른 바이오 멤리스티브 소자(100)의 남성 세포 생존 실험 결과 및 여성 피부 세포 생존 실험 결과의 비교 데이터를 나타낸다. 다른 실시예에 따른 바이오 멤리스티브 소자(100)는 용매로서 다이메틸설폭시화물(dimethyl sulfoxide; DMSO)을 사용하여 형성되는 저항 변화층(130)을 갖는다. 도 10a, 도 10b, 및 도 10c에 따르면, 바이오 멤리스티브 소자(100)는 인체 무해성을 나타내며, 이는 바이오 멤리스티브 소자(100)의 저항 변화층(130)을 형성하는 데 어떤 용매가 사용되더라도, 유사한 결과를 나타낸다. 10A, 10B, and 10C show test results of harmlessness to the human body of the
다양한 실시예들에 따르면, 바이오 멤리스티브 소자(100)는 옥수수에서 간단하게 추출되는 제인(Zein)을 전자 시냅스의 핵심 소재로 이용함으로써, 우수한 동작 특성, 낮은 제작 비용 및 고밀도 집적화가 가능함은 물론, 궁극적으로는 인체 무해성을 기반으로 인체에 융합될 수 있는 고성능의 전자 시냅스 소자로서 구현될 수 있다. According to various embodiments, the
이러한 바이오 멤리스티브 소자(100)는 비휘발성 메모리 소자, 전자 시냅스 네트워크, 뇌신경 모방형 소자, 및 하드웨어 인공 지능 컴퓨팅 등에 이용될 수 있다. 아울러, 바이오 멤리스티브 소자(100)는 중대형 컴퓨터, 데스크 탑 컴퓨터, 스마트폰 및 탭 PC를 포함한 각종 디지털 장비의 기억장치에 기억소자로 적용이 가능하다. 나아가, 바이오 멤리스티브 소자(100)는 비휘발성 메모리 특성, 그리고 학습과 기억 능력을 기반으로 인간의 신체에 부착 또는 삽입되는 웨어러블 전자 소자 및 헬스케어 제품으로의 적용이 가능하다.Such a
다양한 실시예들에 따른 인체 무해성을 기반으로 인체에 융합될 수 있는 바이오 멤리스티브 소자(100)는, 기판(110), 기판(110) 상에 배치되는 하부 전극층(120), 하부 전극층(120) 상에 배치되고, 제인(Zein)을 포함하는 저항 변화층(130), 및 저항 변화층(130) 상에 배치되는 상부 전극층(140)을 포함할 수 있다. The
다양한 실시예들에 따르면, 제인(Zein)은, 상기 [화학식 1]과 같이 표현되는 α-제인 또는 β-제인 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. According to various embodiments, Zein may include at least one of α-Zein and β-Zein expressed as in [Formula 1].
다양한 실시예들에 따르면, 저항 변화층(130)은, 단일 금속, 복합 금속, 양자점, 코어-셸(core-shell) 양자점, 코어-셸-셸(core-shell-shell) 양자점, 금속 산화물, 금속 질화물, 또는 고분화 화합물 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. According to various embodiments, the
다양한 실시예들에 따른 인체 무해성을 기반으로 인체에 융합될 수 있는 바이오 멤리스티브 소자(100)의 제조 방법은, 제인(Zein)을 포함하는 혼합 용액을 준비하는 단계(210 단계), 혼합 용액을 이용하여, 기판(110) 상에 배치되는 하부 전극층(120) 상에 저항 변화층(130)을 형성하는 단계(220 단계), 및 저항 변화층(130) 상에 상부 전극층(140)을 형성하는 단계(230 단계)를 포함할 수 있다. A method of manufacturing a
다양한 실시예들에 따르면, 제인(Zein)은, 상기 [화학식 2]와 같이 표현되는 α-제인 또는 β-제인 중 적어도 하나를 포함하는, According to various embodiments, Zein includes at least one of α-Zein or β-Zein expressed as in [Formula 2],
다양한 실시예들에 따르면, 혼합 용액을 준비하는 단계(210 단계)는, 제인(Zein)을 용매에 혼합하여, 혼합 용액을 준비하는 단계를 포함할 수 있다. According to various embodiments, preparing the mixed solution (step 210) may include preparing a mixed solution by mixing Zein with a solvent.
다양한 실시예들에 따르면, 용매는, 메탄올(Methanol), 에탄올(Ethanol), 아이소프로필알코올(Isopropyl alcohol), 아세톤(Aceton), 아세트 산(Acetic acid), 또는 다이메틸설폭시화물(dimethyl sulfoxide; DMSO) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. According to various embodiments, the solvent is methanol, ethanol, isopropyl alcohol, acetone, acetic acid, or dimethyl sulfoxide; DMSO) may include at least one.
다양한 실시예들에 따르면, 상기 저항 변화층을 형성하는 단계(220 단계)는, 하부 전극층(120) 상에 혼합 용액을 증착하는 단계, 및 하부 전극층(120) 상에서 혼합 용액의 용매 중 적어도 일부를 증발시켜, 저항 변화층(130)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. According to various embodiments, the forming of the resistance change layer (step 220) may include depositing a mixed solution on the
다양한 실시예들에 따르면, 혼합 용액을 준비하는 단계(210)는, 제인(Zein)과 함께, 추가 부재를 용매에 혼합하여, 혼합 용액을 준비할 수 있다.According to various embodiments, in
다양한 실시예들에 따르면, 추가 부재는, 단일 금속, 복합 금속, 양자점, 코어-셸(core-shell) 양자점, 코어-셸-셸(core-shell-shell) 양자점, 금속 산화물, 금속 질화물, 또는 고분화 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. According to various embodiments, the additional member may be a single metal, a composite metal, a quantum dot, a core-shell quantum dot, a core-shell-shell quantum dot, a metal oxide, a metal nitride, or At least one of the highly differentiated compounds may be included.
다양한 실시예들에 따르면, 추가 부재의 지름은, 5 nm 이상이고 100 nm 이하일 수 있다. According to various embodiments, the diameter of the additional member may be greater than or equal to 5 nm and less than or equal to 100 nm.
다양한 실시예들에 따르면, 혼합 용액을 증착하는 단계는, 스핀 코팅(Spin coating) 기법, 스프레이 코팅(Spray coating) 기법, 바 코팅(Bar coating) 기법, 침지 코팅(Dip-coating) 기법, 커튼 코팅(Curtain coating) 기법, 슬롯 코팅(Slot coating) 기법, 롤 코팅(Roll coating) 기법, 또는 그라비어 코팅(Gravure coating) 기법 중 적어도 하나를 통해, 수행될 수 있다. According to various embodiments, the step of depositing the mixed solution may include a spin coating technique, a spray coating technique, a bar coating technique, a dip-coating technique, and a curtain coating technique. It may be performed through at least one of a curtain coating technique, a slot coating technique, a roll coating technique, or a gravure coating technique.
본 문서의 다양한 실시예들 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시 예의 다양한 변경, 균등물, 및/또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성 요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 본 문서에서, "A 또는 B", "A 및/또는 B 중 적어도 하나", "A, B 또는 C" 또는 "A, B 및/또는 C 중 적어도 하나" 등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. "제 1", "제 2", "첫째" 또는 "둘째" 등의 표현들은 해당 구성 요소들을, 순서 또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성 요소를 다른 구성 요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성 요소들을 한정하지 않는다. 어떤(예: 제 1) 구성 요소가 다른(예: 제 2) 구성 요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성 요소가 상기 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되거나, 다른 구성 요소(예: 제 3 구성 요소)를 통하여 연결될 수 있다.Various embodiments of this document and terms used therein are not intended to limit the technology described in this document to a specific embodiment, and should be understood to include various modifications, equivalents, and/or substitutes of the embodiment. In connection with the description of the drawings, like reference numerals may be used for like elements. Singular expressions may include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this document, expressions such as "A or B", "at least one of A and/or B", "A, B or C" or "at least one of A, B and/or C" refer to all of the items listed together. Possible combinations may be included. Expressions such as "first," "second," "first," or "second" may modify the elements in any order or importance, and are used only to distinguish one element from another. The components are not limited. When a (eg, first) component is referred to as being “connected” or “connected” to another (eg, second) component, the certain component is directly connected to the other component, or It may be connected through another component (eg, a third component).
다양한 실시예들에 따르면, 기술한 구성 요소들의 각각의 구성 요소는 단수 또는 복수의 개체를 포함할 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 전술한 해당 구성 요소들 중 하나 이상의 구성 요소들 또는 동작들이 생략되거나, 또는 하나 이상의 다른 구성 요소들 또는 동작들이 추가될 수 있다. 대체적으로 또는 추가적으로, 복수의 구성 요소들은 하나의 구성 요소로 통합될 수 있다. 이런 경우, 통합된 구성 요소는 복수의 구성 요소들 각각의 구성 요소의 하나 이상의 기능들을 통합 이전에 복수의 구성 요소들 중 해당 구성 요소에 의해 수행되는 것과 동일 또는 유사하게 수행할 수 있다.According to various embodiments, each of the components described above may include a single entity or a plurality of entities. According to various embodiments, one or more components or operations among the aforementioned corresponding components may be omitted, or one or more other components or operations may be added. Alternatively or additionally, a plurality of components may be integrated into one component. In this case, the integrated component may perform one or more functions of each of the plurality of components identically or similarly to those performed by the corresponding component among the plurality of components prior to integration.
Claims (10)
기판;
상기 기판 상에 배치되는 하부 전극층;
상기 하부 전극층 상에 배치되고, 옥수수로부터 추출되는 식물성 단백질인 제인(Zein)을 포함하는 저항 변화층; 및
상기 저항 변화층 상에 배치되는 상부 전극층
을 포함하고,
상기 저항 변화층은,
상기 제인과 용매가 혼합된 혼합 용액을 준비하고, 상기 하부 전극층 상에 상기 혼합 용액을 증착하고, 상기 하부 전극층 상에서 상기 혼합 용액의 상기 용매 중 적어도 일부를 증발시켜, 형성되며,
상기 용매는,
메탄올(Methanol), 에탄올(Ethanol), 아이소프로필알코올(Isopropyl alcohol), 아세톤(Aceton), 아세트산(Acetic acid), 또는 다이메틸설폭시화물(dimethyl sulfoxide; DMSO) 중 적어도 하나
를 포함하는, 바이오 멤리스티브 소자.
In the biomemristive device that can be fused to the human body based on harmlessness to the human body,
Board;
a lower electrode layer disposed on the substrate;
a resistance change layer disposed on the lower electrode layer and containing zein, a vegetable protein extracted from corn; and
An upper electrode layer disposed on the resistance change layer
including,
The resistance change layer,
It is formed by preparing a mixed solution in which the zein and the solvent are mixed, depositing the mixed solution on the lower electrode layer, and evaporating at least a part of the solvent of the mixed solution on the lower electrode layer,
The solvent is
At least one of methanol, ethanol, isopropyl alcohol, acetone, acetic acid, or dimethyl sulfoxide (DMSO)
A bio-memristive device comprising a.
상기 제인(Zein)은,
하기 화학식과 같이 표현되는 α-제인 또는 β-제인 중 적어도 하나를 포함하는,
바이오 멤리스티브 소자.
[화학식]
C5H9NO2
According to claim 1,
The Jane (Zein),
Including at least one of α-zein or β-zein represented by the following formula,
Biomemristive device.
[chemical formula]
C 5 H 9 NO 2
상기 저항 변화층은,
단일 금속, 복합 금속, 양자점, 코어-셸(core-shell) 양자점, 코어-셸-셸(core-shell-shell) 양자점, 금속 산화물, 금속 질화물, 또는 고분화 화합물 중 적어도 하나를 더 포함하는,
바이오 멤리스티브 소자.
According to claim 1,
The resistance change layer,
Further comprising at least one of a single metal, a composite metal, a quantum dot, a core-shell quantum dot, a core-shell-shell quantum dot, a metal oxide, a metal nitride, or a highly differentiated compound,
Biomemristive device.
옥수수로부터 추출되는 식물성 단백질인 제인(Zein)을 용매에 혼합하여, 혼합 용액을 준비하는 단계;
상기 혼합 용액을 이용하여, 기판 상에 배치되는 하부 전극층 상에 저항 변화층을 형성하는 단계; 및
상기 저항 변화층 상에 상부 전극층을 형성하는 단계
를 포함하고,
상기 용매는,
메탄올, 에탄올, 아이소프로필알코올, 아세톤, 아세트산, 또는 다이메틸설폭시화물 중 적어도 하나
를 포함하고,
상기 저항 변화층을 형성하는 단계는,
상기 하부 전극층 상에 상기 혼합 용액을 증착하는 단계; 및
상기 하부 전극층 상에서 상기 혼합 용액의 상기 용매 중 적어도 일부를 증발시켜, 상기 저항 변화층을 형성하는 단계
를 포함하는, 제조 방법.
In the manufacturing method of a bio-memristive device that can be fused to the human body based on harmlessness to the human body,
Preparing a mixed solution by mixing Zein, a vegetable protein extracted from corn, with a solvent;
forming a resistance change layer on a lower electrode layer disposed on a substrate using the mixed solution; and
Forming an upper electrode layer on the resistance change layer
including,
The solvent is
At least one of methanol, ethanol, isopropyl alcohol, acetone, acetic acid, or dimethyl sulfoxide
including,
Forming the resistance change layer,
depositing the mixed solution on the lower electrode layer; and
forming the resistance change layer by evaporating at least a part of the solvent of the mixed solution on the lower electrode layer;
Including, manufacturing method.
상기 제인(Zein)은,
하기 화학식과 같이 표현되는 α-제인 또는 β-제인 중 적어도 하나를 포함하는,
제조 방법.
[화학식]
C5H9NO2
According to claim 4,
The Jane (Zein),
Including at least one of α-zein or β-zein represented by the following formula,
manufacturing method.
[chemical formula]
C 5 H 9 NO 2
상기 혼합 용액을 준비하는 단계는,
상기 제인(Zein)과 함께, 추가 부재를 상기 용매에 혼합하여, 상기 혼합 용액을 준비하고,
상기 추가 부재는,
단일 금속, 복합 금속, 양자점, 코어-셸(core-shell) 양자점, 코어-셸-셸(core-shell-shell) 양자점, 금속 산화물, 금속 질화물, 또는 고분화 화합물 중 적어도 하나를 포함하는,
제조 방법.
According to claim 4,
The step of preparing the mixed solution is,
Together with the Zein, an additional member is mixed with the solvent to prepare the mixed solution,
The additional member,
At least one of a single metal, a composite metal, a quantum dot, a core-shell quantum dot, a core-shell-shell quantum dot, a metal oxide, a metal nitride, or a highly differentiated compound,
manufacturing method.
상기 추가 부재의 지름은,
5 nm 이상이고 100 nm 이하인,
제조 방법.
According to claim 8,
The diameter of the additional member is,
5 nm or more and 100 nm or less,
manufacturing method.
상기 혼합 용액을 증착하는 단계는,
스핀 코팅(Spin coating) 기법, 스프레이 코팅(Spray coating) 기법, 바 코팅(Bar coating) 기법, 침지 코팅(Dip-coating) 기법, 커튼 코팅(Curtain coating) 기법, 슬롯 코팅(Slot coating) 기법, 롤 코팅(Roll coating) 기법, 또는 그라비어 코팅(Gravure coating) 기법 중 적어도 하나를 통해, 수행되는,
제조 방법. According to claim 4,
Depositing the mixed solution,
Spin coating technique, spray coating technique, bar coating technique, dip-coating technique, curtain coating technique, slot coating technique, roll coating technique Performed through at least one of a roll coating technique or a gravure coating technique,
manufacturing method.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200187632A KR102483063B1 (en) | 2020-12-30 | 2020-12-30 | Bio-memristive device and method for manufacturing the same |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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|---|---|---|---|---|
| WO2012050533A1 (en) * | 2010-10-15 | 2012-04-19 | Nanyang Technological University | A memristor comprising a protein and a method of manufacturing thereof |
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2020
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Patent Citations (1)
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