인공 망막은 사람 눈의 망막에 삽입되어 망막 신경절 세포(Retinal ganglion cells)를 전기적으로 자극하여, 망막을 재생하거나 전기적 신호를 뇌의 시신경으로 전달하는 역할을 한다. 따라서, 인공 망막은 쉽게 삽입이 가능하도록 매우 유연하여야 하며, 전기적 신호는 실제 시냅스의 활동 전위와 유사한 스파이크(spike) 형태가 유리하다. 또한, 인공 망막은 인체에 삽입되어 항상 동작을 하고, 실시간 반응을 해야 하는 기기로 에너지 효율이 높아야하며, 반응성 및 신호처리가 매우 빨라야하는 시스템이다. 따라서 본 연구의 목표는 인공 망막에서 요구되는 이러한 사항들을 만족할 수 있도록, pyro-phototronics 효과에 의한 자가발전·유연성 수광소자 어레이를 개발하는 것을 목표로 하며, 방대한 양의 데이터를 효과적으로 처리할 수 있는 시냅스 모방 소자로의 적용을 목표로 한다. 이를 위해 다음의 연구들을 순차적으로 진행할 계획이다. □ 자가발전 방식의 유연성 수광소자 (Ultra-flexible and Slef-powered Photodetector) 본 연구에서는 인공 망막으로 적용 가능한 pyro-phototronics photodetector의 개발을 위한 물질로 2차원의 TMDs 물질을 고려하고 있다. 2차원의 TMDs 물질은 투명하고, 높은 유연성 특성을 나타낼 뿐 아니라 광 흡수계수가 높아 수광소자로의 응용에 매우 적합하다고 알려져 있다. 우선적으로 다양한 공정 방식을 통해 MoS2, WS2 등 다양한 TMDs 물질의 pyro-phototronics 효과를 검증하고, 이를 자가발전 방식의 photodetector로의 응용에 대한 연구를 선행할 것이다. □ 시냅스 모방 수광소자 기술 (Synaptic Photodetector) 본 연구에서는 2차원 TMDs 물질을 기반으로 한 pyro-phototronics photodetector의 TMDs 층위에 V2O5 또는 ZnO Nanoparticle과 Nanowire 등을 코팅하여, TMDs 기반의 photodetector에 학습과 기억능력을 추가한 시냅스 모방 수광 소자에 대한 연구를 진행할 계획이다. 앞서 언급했듯이, pyro-phototronics photodetector는 빛의 변화에 자극을 받아 매우 급격한 스파이크 형태의 출력 신호를 보여주지만, 학습과 기억의 능력은 없을 것으로 예상한다. ZnO는 빛의 유무에 따라 O2/H2O의 분자들이 ZnO의 표면에 흡착 또는 탈착된다. 이에 따라 ZnO 표면의 energy band structure의 변화가 일어나게 되는데, O2/H2O의 흡착과 탈착 프로세스가 상대적으로 느리기 때문에, 학습과 기억의 능력을 모사할 수 있다. 따라서, TMDs층의 표면에 빛에 반응하며, 학습과 기억의 능력을 보여줄 수 있는 물질을 코팅하면, pyro-phototronics photodetector가 시냅스 특성을 갖게 될 것으로 예상한다. □ 대면적 수광소자 배열 기술 (Large area fabrication of photodetector array) 인공 망막으로 사용하기 위해서는 다양한 요소들을 만족하여야 한다. 칩이 망막에 잘 부착되기 위해서 칩의 두께는 70 μm 이하로 얇아야 하며, 전극의 크기와 전극 사이의 간격도 고려해야 한다. 특히, 수광소자의 경우는 자가발전방식이 유리하며, 각 셀당 전류의 크기는 10^-6A는 되어야 한다. 또한, 일반적인 전자소자와 다르게, 금으로 된 전극을 이식한 경우, 시간이 지남에 따라 부식되었다는 보고가 있어, 현재는 iridium oxide를 주로 사용한다. 따라서 앞서 개발된 소자 기술들을 인공 망막 영역으로 확장하기 위해서, 수광소자의 광전류 및 사이즈, 배열, 칩의 두께 등 다양한 관점에서 최적화되어야 한다. 본 연구 단계는 제안하는 연구과제의 마지막 단계로, 인공 망막에 필요한 조건들을 맞출 수 있도록 최적화할 계획이다.

인공 망막은 사람 눈의 망막에 삽입되어 망막 신경절 세포(Retinal ganglion cells)를 전기적으로 자극하여, 망막을 재생하거나 전기적 신호를 뇌의 시신경으로 전달하는 역할을 한다. 따라서, 인공 망막은 쉽게 삽입이 가능하도록 매우 유연하여야 하며, 전기적 신호는 실제 시냅스의 활동 전위와 유사한 스파이크(spike) 형태가 유리하다. 또한, 인공 망막은 인체에 삽입되어 항상 동작을 하고, 실시간 반응을 해야 하는 기기로 에너지 효율이 높아야하며, 반응성 및 신호처리가 매우 빨라야하는 시스템이다. 따라서 본 연구의 목표는 인공 망막에서 요구되는 이러한 사항들을 만족할 수 있도록, pyro-phototronics 효과에 의한 자가발전·유연성 수광소자 어레이를 개발하는 것을 목표로 하며, 방대한 양의 데이터를 효과적으로 처리할 수 있는 시냅스 모방 소자로의 적용을 목표로 한다. 이를 위해 다음의 연구들을 순차적으로 진행할 계획이다. □ 자가발전 방식의 유연성 수광소자 (Ultra-flexible and Slef-powered Photodetector) 본 연구에서는 인공 망막으로 적용 가능한 pyro-phototronics photodetector의 개발을 위한 물질로 2차원의 TMDs 물질을 고려하고 있다. 2차원의 TMDs 물질은 투명하고, 높은 유연성 특성을 나타낼 뿐 아니라 광 흡수계수가 높아 수광소자로의 응용에 매우 적합하다고 알려져 있다. 우선적으로 다양한 공정 방식을 통해 MoS2, WS2 등 다양한 TMDs 물질의 pyro-phototronics 효과를 검증하고, 이를 자가발전 방식의 photodetector로의 응용에 대한 연구를 선행할 것이다. □ 시냅스 모방 수광소자 기술 (Synaptic Photodetector) 본 연구에서는 2차원 TMDs 물질을 기반으로 한 pyro-phototronics photodetector의 TMDs 층위에 V2O5 또는 ZnO Nanoparticle과 Nanowire 등을 코팅하여, TMDs 기반의 photodetector에 학습과 기억능력을 추가한 시냅스 모방 수광 소자에 대한 연구를 진행할 계획이다. 앞서 언급했듯이, pyro-phototronics photodetector는 빛의 변화에 자극을 받아 매우 급격한 스파이크 형태의 출력 신호를 보여주지만, 학습과 기억의 능력은 없을 것으로 예상한다. ZnO는 빛의 유무에 따라 O2/H2O의 분자들이 ZnO의 표면에 흡착 또는 탈착된다. 이에 따라 ZnO 표면의 energy band structure의 변화가 일어나게 되는데, O2/H2O의 흡착과 탈착 프로세스가 상대적으로 느리기 때문에, 학습과 기억의 능력을 모사할 수 있다. 따라서, TMDs층의 표면에 빛에 반응하며, 학습과 기억의 능력을 보여줄 수 있는 물질을 코팅하면, pyro-phototronics photodetector가 시냅스 특성을 갖게 될 것으로 예상한다. □ 대면적 수광소자 배열 기술 (Large area fabrication of photodetector array) 인공 망막으로 사용하기 위해서는 다양한 요소들을 만족하여야 한다. 칩이 망막에 잘 부착되기 위해서 칩의 두께는 70 μm 이하로 얇아야 하며, 전극의 크기와 전극 사이의 간격도 고려해야 한다. 특히, 수광소자의 경우는 자가발전방식이 유리하며, 각 셀당 전류의 크기는 10^-6A는 되어야 한다. 또한, 일반적인 전자소자와 다르게, 금으로 된 전극을 이식한 경우, 시간이 지남에 따라 부식되었다는 보고가 있어, 현재는 iridium oxide를 주로 사용한다. 따라서 앞서 개발된 소자 기술들을 인공 망막 영역으로 확장하기 위해서, 수광소자의 광전류 및 사이즈, 배열, 칩의 두께 등 다양한 관점에서 최적화되어야 한다. 본 연구 단계는 제안하는 연구과제의 마지막 단계로, 인공 망막에 필요한 조건들을 맞출 수 있도록 최적화할 계획이다.