한국과학기술원(KAIST, 총장 신성철)는 전기 및 전자공학부 유승협 교수와 생명화학공학과 임성갑 교수 공동 연구팀이 유기물 기반의 유연하면서도 우수한 성능을 갖는 플래시 메모리를 개발했다고 밝혔다. KAIST측은 이 기술을 통해 본격적인 웨어러블 전자기기 및 스마트 전자종이 등의 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대된다고 전했다. 자료 : 한국과학기술원(KAIST)
개시제를 이용한 화학 기상 증착법으로
절연특성의 고성능 고분자 절연막군 제작
플래시 메모리는 태블릿, 스마트폰, USB 드라이브 등 대부분의 IT 기기에서 사용되는 정보 저장을 위한 필수 소자이다. 웨어러블 및 유연 스마트 기기를 제작하기 위해서는 기기에 들어갈 메모리도 매우 우수한 유연성을 갖게 하는 것이 중요하다. 하지만, 소재의 제약으로 인해 그동안 유연성과 성능을 동시에 갖춘 유연 플래시 메모리의 구현은 사실상 이뤄지지 못했다. 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 ‘개시제를 이용한 화학 기상 증착법(initiated chemical vapor deposition, iCVD)’을 이용해 유연하면서도 우수한 절연 특성을 갖는 고성능의 고분자 절연막 군(群)을 제작했다. 그리고 이를 이용해 최적의 플래시 메모리 동작이 가능하도록 설계했다. 기존의 고분자 절연막을 사용한 메모리는 일정 정도의 성능을 내기 위해서 100V 이상의 높은 전압이 필요했다. 만약 낮은 전압으로 구동하도록 제작하면 한 달 미만의 짧은 유지기간을 갖는 문제점이 있었다.
[그림 1] 유연 플레쉬 메모리의 구조(좌) 및 단면 나노 적층 구조(우)
[그림 2] 폴더블 플래시 메모리(좌)와 종이에 제작된 플래시 메모리(우)
인쇄용 종이 위에 제작 성공
일회용 스마트 전자제품에 활용가능성 높여
연구팀이 제작한 플래시 메모리는 10V 이하의 프로그래밍 전압과 10년 이상의 데이터 유지시간을 갖는 동시에 2.8%의 기계적 변형률에도 메모리 성능을 유지했다. 이는 기존의 무기물 절연층 기반 플래시 메모리가 1% 수준의 변형률만을 허용하던 것에서 상당부분 진전을 이뤄낸 것이다. 연구팀은 개발한 플래시 메모리를 6마이크로미터 두께의 플라스틱 필름에 제작해 실제 접을 수 있는 메모리를 시연했다. 또한, 이를 인쇄용 종이 위에도 제작할 수 있도록 함으로써, 종이 재질의 전자신문과 전자명함 등 일회용 스마트 전자제품에도 활용할 수 있는 길을 열었다.
유승협 교수는 “유연 트랜지스터에 대한 연구는 많은 진보가 있었지만, 유연 플래시 메모리에 대한 연구는 상대적으로 발전이 더뎠다. 그 이유는 메모리소자의 구성요소가 갖는 만족요건이 까다롭기 때문”이라고 설명하며, “이번 연구로 고 유연성, 고성능의 플래시 메모리의 가능성이 확인돼 본격적인 웨어러블 전자기기, 스마트 전자종이 등에 기여할 것”이라고 전했다. 이번 연구는 삼성전자 미래기술육성센터의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 온라인 판에 게재됐다.
개발에 참여한 문한얼 박사(좌)와 유승협 교수(우)
<용어설명>
1. 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) : 재료공정 연구 분야에서 최고의 권위를 인정받고 있는 대표 과학전문지다. 전 과학 분야에서 상위 1.68% 이내에 랭크되는 학술지이며, 융합(Multidisciplinary) 분야에서 4.83%(3위/62개) 이내에 든다.
2. 개시제를 이용한 화학 기상 증착(Initiated chemical vapour deposition, iCVD) : 단량체(monomer)와 개시제(initiator)를 기화하여 저진공의 반응기 안에 주입하고, 주입된 개시제를 열에너지로 활성화시켜 고분자를 필름 형태로 합성하는 방법이다. 기존의 고분자 합성 방식과는 달리, 용매(solvent)나 첨가제(additive)를 필요로 하지 않기 때문에 높은 순도를 가지는 고분자를 쉽게 합성할 수 있는 장점을 가지고 있다. 또한, 낮은 공정 온도로 인하여 종이와 같은 화학적, 물리적 자극에 약한 물질 위에도 고분자를 도포할 수 있다.
3. 절연막 : 도체, 반도체와 달리 전자 또는 정공의 흐름을 막아주는 역할을 주로 하는 물질. 절연막은 통상적인 부도체로서의 역할 외에도, 트랜지스터에 게이트 절연막이라 불리며 게이트 전극과 반도체 층 사이에 놓여, 트랜지스터가 게이트 전압에 따라 반도체 채널층의 전도성을 크게 변화시키는 역할을 하기도 한다. 이들 소자에서 저전압 구동을 하려면 게이트 절연막의 두께가 매우 얇아져야 하는데, 두께에 따라 그 절연 성능이 민감하게 변하는 특징이 있기 때문에, 전자소자 성능의 향상 및 신개념 소자 개발에 항상 중요하게 고려되어지는 요소이다.
4. 플래시 메모리(flash memory) : 전기적으로 데이터를 쓰고 지울 수 있는 비휘발성 메모리의 일종이며, 높은 성능과 안정성으로 인해 현재 가장 성공적으로 실용화된 비휘발성 메모리이다. 태블릿, 스마트폰의 핵심요소인 SSD(solid state drive) 부터 USB 메모리까지 모든 휴대용 전자기기에 사용되고 있다. 플래쉬 메모리는 트랜지스터의 구조와 유사하나, 트랜지스터의 게이트 절연층이 크게 절연층, 플로팅 게이트라 불리는 금속층, 또 다른 절연층의 삼층 구조로 대체되는데, 한 절연층은 게이트 전압에 따라 터널링을 통한 전하의 유출입이 가능해야 하고, 나머지 절연층은 어느 조건에서도 전하의 유·출입을 막아야하는 상이한 역할을 담당한다.
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