반도체 기반 전자소자의 개발은 센서 기반 데이터 수집과 프로세서 구동 데이터 분석을 크게 진전시켜 왔다. 그러나 기존의 상보 금속-산화물-반도체(complementary metal-oxide-semiconductor) 기술은 현재 스케일링, 속도 및 전력 효율 측면에서 근본적인 한계에 직면해 있다. 이에 대응하여, 생물학적 신경계에서 영감을 받은 뉴로모픽 감지 및 컴퓨팅 장치가 이러한 과제를 해결하기 위한 유망한 대안으로 부상하였다. 다양한 재료 플랫폼 중에서, 할라이드 페로브스카이트(halide perovskites, HPs)는 저활성화 에너지, 조절 가능한 밴드갭, 용이한 이온 이동, 기계적 유연성을 포함한 고유한 특성으로 인해 뉴로모픽 응용에서 상당한 관심을 받아 왔다. 이러한 특성들은 HP가 시각, 후각, 미각, 촉각 인지와 같은 인간의 감각 기능을 모방할 수 있는 뉴로모픽 센서 및 전력 효율적인 메모리 내(in-memory) 컴퓨팅을 위한 멤리스티브(memristive) 소자 개발에 적합함을 시사한다. 본 리뷰는 HP 기반 뉴로모픽 감지 및 컴퓨팅 기술에 대한 최근의 발전을 포괄적으로 개관하며, 이들에 대한 고유한 구조적 및 전자적 특성, 기본 동작 메커니즘, 그리고 최신 응용에 초점을 둔다. 또한 현재의 과제와 향후 전망도 논의하며, 차세대 감지 및 컴퓨팅을 위한 HP 기반 뉴로모픽 시스템의 전환적 잠재력을 부각한다.

나노결정질 Cu와 비정질 CuZrTi가 교대로 적층된 나노라미네이트는 신축성 소자에서 고도로 신장 가능하면서도 전도성이 우수한 접속(인터커넥트) 재료로 제안된다. 50 nm의 나노결정질 Cu와 20 nm의 비정질 CuZrTi는 구성층의 최적 두께이며, 이는 단일(monolithic) 비정질 CuZrTi 박막과 유사한 3.33%의 탄성 변형 한계와, 단일 나노결정질 Cu 박막의 70%에 해당하는 11.83 S/μm의 전기 전도도를 만들어낸다. 이러한 나노라미네이트의 향상된 탄성 변형성 및 전도성은 자유 지지(self-standing) 뱀모양(serpentine) 구조 형태에서는 인장 변형률 114% 조건에서, 그리고 엘라스토머 기판 위의 일반적인 원형 코일( circular coil ) 형태에서는 인장 변형률 30% 조건에서 반복 신장(cyclic stretching) 동안 접속 성능을 유지할 수 있게 한다.

유연한 반투명 페로브스카이트 태양전지(ST-PSC)는 건물 또는 차량 통합형 광전지와 같은 고밀도 에너지 시스템에서 사용될 잠재력이 크다. 이는 PSC 소자의 우수한 특성들—고성능, 경량성, 박막 공정성, 그리고 근적외선 영역에서의 높은 투과율—을 고려할 때이다. ST-PSC의 효율 및 유연성을 달성하기 위한 수많은 노력에도 불구하고, ST-PSC에서 고성능과 작동 안정성을 구현하기 위해서는 여전히 추가적인 개발이 필요하다. 본 연구에서는 라미네이션 보조 양면(양면성) 양이온 교환 전략을 통해 폴리이미드 통합 그래핀 전극을 사용하여 고효율, 고안정성 및 유연한 ST-PSC의 개발을 입증하였다. 라미네이션 공정을 이용한 양이온 교환 반응을 통해 고품질 페로브스카이트 층을 얻었으며, 15.1%의 효율을 갖는 ST-PSC를 개발하였다. 제안된 ST-PSC 소자는 화학적으로 불활성이면서 기계적으로 견고한 그래핀 전극에 기인하여 우수한 작동 안정성, 기계적 내구성 및 내습성을 또한 보여주었다. 본 연구는 고성능 및 장기 작동 안정성을 갖는 고기능성 ST-페로브스카이트 광전자 소자를 개발하기 위한 효과적인 전략을 제공한다.

실리카 박막을 솔—젤 공정으로 합성하여 유연한 캡슐화 재료로 제안한다. 솔—젤 공정은 조밀하고 안정적인 비정질 실리카 구조를 제공하며, 탄성 변형 한계가 4.9%로 매우 높고, 60 °C 및 상대습도 85% 조건에서 수증기 투과율(WVTR)이 2.90 × 10−4 g/(m2·day)로 극히 낮다. WVTR은 실리카 캡슐화 박막에서 인장 변형률 3.3%에 해당하는 굽힘 반경에서 반복 굽힘 변형에 의해 저하되지 않으며, 이는 반복 굽힘 변형에 의해 핀홀(pinhole) 형태의 결함이 형성되는 것에 대해 실리카 박막이 견고함을 시사한다. 실리카 박막으로 캡슐화된 유연 유기 태양전지는 굽힘 반경 6 mm에서 50,000회의 굽힘 사이클 동안 출력 변환 효율의 저하 없이 동작한다.

반도체 기반 전자소자의 개발은 센서 기반 데이터 수집과 프로세서 구동 데이터 분석을 크게 진전시켜 왔다. 그러나 기존의 상보 금속-산화물-반도체(complementary metal-oxide-semiconductor) 기술은 현재 스케일링, 속도 및 전력 효율 측면에서 근본적인 한계에 직면해 있다. 이에 대응하여, 생물학적 신경계에서 영감을 받은 뉴로모픽 감지 및 컴퓨팅 장치가 이러한 과제를 해결하기 위한 유망한 대안으로 부상하였다. 다양한 재료 플랫폼 중에서, 할라이드 페로브스카이트(halide perovskites, HPs)는 저활성화 에너지, 조절 가능한 밴드갭, 용이한 이온 이동, 기계적 유연성을 포함한 고유한 특성으로 인해 뉴로모픽 응용에서 상당한 관심을 받아 왔다. 이러한 특성들은 HP가 시각, 후각, 미각, 촉각 인지와 같은 인간의 감각 기능을 모방할 수 있는 뉴로모픽 센서 및 전력 효율적인 메모리 내(in-memory) 컴퓨팅을 위한 멤리스티브(memristive) 소자 개발에 적합함을 시사한다. 본 리뷰는 HP 기반 뉴로모픽 감지 및 컴퓨팅 기술에 대한 최근의 발전을 포괄적으로 개관하며, 이들에 대한 고유한 구조적 및 전자적 특성, 기본 동작 메커니즘, 그리고 최신 응용에 초점을 둔다. 또한 현재의 과제와 향후 전망도 논의하며, 차세대 감지 및 컴퓨팅을 위한 HP 기반 뉴로모픽 시스템의 전환적 잠재력을 부각한다.

나노결정질 Cu와 비정질 CuZrTi가 교대로 적층된 나노라미네이트는 신축성 소자에서 고도로 신장 가능하면서도 전도성이 우수한 접속(인터커넥트) 재료로 제안된다. 50 nm의 나노결정질 Cu와 20 nm의 비정질 CuZrTi는 구성층의 최적 두께이며, 이는 단일(monolithic) 비정질 CuZrTi 박막과 유사한 3.33%의 탄성 변형 한계와, 단일 나노결정질 Cu 박막의 70%에 해당하는 11.83 S/μm의 전기 전도도를 만들어낸다. 이러한 나노라미네이트의 향상된 탄성 변형성 및 전도성은 자유 지지(self-standing) 뱀모양(serpentine) 구조 형태에서는 인장 변형률 114% 조건에서, 그리고 엘라스토머 기판 위의 일반적인 원형 코일( circular coil ) 형태에서는 인장 변형률 30% 조건에서 반복 신장(cyclic stretching) 동안 접속 성능을 유지할 수 있게 한다.

유연한 반투명 페로브스카이트 태양전지(ST-PSC)는 건물 또는 차량 통합형 광전지와 같은 고밀도 에너지 시스템에서 사용될 잠재력이 크다. 이는 PSC 소자의 우수한 특성들—고성능, 경량성, 박막 공정성, 그리고 근적외선 영역에서의 높은 투과율—을 고려할 때이다. ST-PSC의 효율 및 유연성을 달성하기 위한 수많은 노력에도 불구하고, ST-PSC에서 고성능과 작동 안정성을 구현하기 위해서는 여전히 추가적인 개발이 필요하다. 본 연구에서는 라미네이션 보조 양면(양면성) 양이온 교환 전략을 통해 폴리이미드 통합 그래핀 전극을 사용하여 고효율, 고안정성 및 유연한 ST-PSC의 개발을 입증하였다. 라미네이션 공정을 이용한 양이온 교환 반응을 통해 고품질 페로브스카이트 층을 얻었으며, 15.1%의 효율을 갖는 ST-PSC를 개발하였다. 제안된 ST-PSC 소자는 화학적으로 불활성이면서 기계적으로 견고한 그래핀 전극에 기인하여 우수한 작동 안정성, 기계적 내구성 및 내습성을 또한 보여주었다. 본 연구는 고성능 및 장기 작동 안정성을 갖는 고기능성 ST-페로브스카이트 광전자 소자를 개발하기 위한 효과적인 전략을 제공한다.

실리카 박막을 솔—젤 공정으로 합성하여 유연한 캡슐화 재료로 제안한다. 솔—젤 공정은 조밀하고 안정적인 비정질 실리카 구조를 제공하며, 탄성 변형 한계가 4.9%로 매우 높고, 60 °C 및 상대습도 85% 조건에서 수증기 투과율(WVTR)이 2.90 × 10−4 g/(m2·day)로 극히 낮다. WVTR은 실리카 캡슐화 박막에서 인장 변형률 3.3%에 해당하는 굽힘 반경에서 반복 굽힘 변형에 의해 저하되지 않으며, 이는 반복 굽힘 변형에 의해 핀홀(pinhole) 형태의 결함이 형성되는 것에 대해 실리카 박막이 견고함을 시사한다. 실리카 박막으로 캡슐화된 유연 유기 태양전지는 굽힘 반경 6 mm에서 50,000회의 굽힘 사이클 동안 출력 변환 효율의 저하 없이 동작한다.

스퍼터링으로 합성한 삼원계 CuZrTi 금속유리 박막은 높은 유연성과 내식성을 갖는 캡슐화(encapsulation) 재료로 제안된다. 나노결정질 Cu 및 이원계 CuZr 금속유리 박막과 달리, 삼원계 CuZrTi 금속유리 박막은 비정질 구조를 유지하며, 85 °C 및 상대습도 85%의 가혹한 가속 환경에서 1000 h 경과 후에도 산화되지 않는다. 단축 인장 시험(uniaxial tensile test) 결과에 따르면, 3% 인장 변형에서의 탄성 변형 한계(elastic deformation limit) 70%에 해당하는 조건임에도 불구하고 두께 260 nm의 삼원계 CuZrTi 금속유리의 캡슐화 성능은 1000회의 굽힘 사이클 후에도 유지된다. 향상된 기계적 유연성과 신뢰성으로 인해, 삼원계 CuZrTi 금속유리 박막은 캡슐화 재료로서 유연한 유기 태양전지(flexible organic solar cells)에 적용되었다.

-보조된 환원 경로(in situ)에서 생성되는 이 자기 제한적 과정은 높은 종횡비를 갖는 구조에서 계면 및 벌크 영역 모두로부터 산소를 완전히 제거하면서도 탁월한 순응성(conformality)을 보장한다. 그 결과로 얻어진 Te 박막은 낮은 접촉 저항 및 비평면(비정렬) 트랜지스터 구성에서의 안정적인 스위칭과 같은 우수한 전기적 특성을 나타낸다. 박막의 연속성으로부터 표면 젖음성(surface wettability)을 분리함으로써, 이러한 화학적 변환 접근법은 초박막 p형 칼코게나이드를 고급 백엔드-오브-라인(back-end-of-line) 아키텍처에 통합하기 위한 획기적인 해결책을 제공한다.

절곡 가능, 신장 가능, 접이 가능 형태의 변형 가능한 광전자 소자에 대한 수요는 유의미하게 증가하였다. 이에 따라 최근 연구는 다양한 변형 양상 하에서 소자의 유연성과 신장성을 확보하는 데 초점을 맞추고 있으며, 기계적 신뢰성의 평가 및 향상이 중요해졌다. 본 글에서는 변형 가능한 광전자 소자의 유연성과 신장성을 향상시키기 위한 전략을 검토하며, 재료의 탄성 변형 한계를 증가시키는 내재적 접근과 소자 수준에서의 외재적 구조 설계 전략을 포함한다. 또한 서로 다른 변형 양상에서의 이들 소자의 기계적 신뢰성에 관한 최근의 성과를 소개한다. 더 나아가 기계적 신뢰성을 향상시키기 위한 기계적 시험 방법으로서, 기존의 벌크 스케일 기계적 시험, 구성하는 박막 적층 재료에 대한 나노기계적 시험, 분석 및 예측을 위한 계산 시뮬레이션 도구를 포함하여 논의한다.

생체전자(bioelectronics)의 3차원(3D) 프린팅은 생물학적 지지체(biological scaffolds) 내에서 개인화되고 구조적으로 통합된 전자 시스템을 제작하기 위한 다재다능한 플랫폼을 제공한다. 기능 수명 이후 자연적으로 용해되는 생분해성 전자기기는 수술적 제거가 필요 없으므로 환자와 의료 제공자 모두에 대한 장기적인 부담을 최소화한다. 본 연구에서는 도전성(conductors), 반도체(semiconductors), 유전체(dielectrics)를 포함하는 3D 프린팅이 가능한 생분해성 전자 잉크의 라이브러리를 개발하여, 단일 통합 공정에서 완전히 기능하는 다재료, 맞춤형 전자 시스템을 직접 인쇄할 수 있도록 하였다. 특히, 접합(conjugated) 분자를 도입하여 반도체 잉크에서 전하 이동도(charge mobility) 및 에너지 준위 정렬(energy level alignment)을 향상시켰다. 이러한 잉크 플랫폼은 수동/능동 구성요소 및 물리/화학 센서를 제작하는 것을 지지함으로써 복잡한 생의학 응용에 적합하다. 본 시스템의 다재다능함은 두 가지 대표적 응용을 통해 입증되었다: (i) 생분해성 지지체 내에 내장된 무선 압력 센서, (ii) 이식 후 체내(in vivo)에서 프로그래밍 가능한 전기적 기능을 유지하면서 이식 후 분해되는 무선 전기 자극기(wireless electrical stimulators). 본 연구는 3D 프린팅만으로 전적으로 제작되는 자율적 생분해성(biodegradable) 바이오전자 시스템을 위한 모듈의 기반을 구축하며, 개인화 진단, 치료 인터페이스, 일시적 의료 기기에 대한 함의를 가진다.