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KAIST, 이차원소재 이용 초저전력 유연메모리 개발 초저전력 비휘발성 유연 메모리로 적용 기대 KAIST(총장 신성철)는 전기 및 전자공학부 최성율 교수와 생명화학공학과 임성갑 교수 공동 연구팀이 2차원 소재를 이용한 고집적, 초저전력 비휘발성 유연 메모리 기술을 개발했다고 밝혔다. 연구팀은 원자층 두께로 매우 얇은 이황화몰리브덴(Molydbenum disulfide, MoS2) 채널 소재와 고성능의 고분자 절연막 소재를 이용해 이 기술을 개발했다. 자료 : KAIST
사물인터넷, 인공지능, 클라우드 서버 기술 등의 등장으로 인해 메모리 중심의 컴퓨팅 전환과 함께 웨어러블 기기 산업의 수요 증가로 고집적, 초저전력 비휘발성 유연 메모리에 대한 필요성이 커지고 있다. 특히 원자층 두께의 매우 얇은 이황화몰리브덴 반도체 소재는 최근 포스트 실리콘 소재로 주목받고 있다. 이는 얇은 두께로 인해 기존 실리콘 소자에서 나타나는 단채널 효과를 억제해 고집적도 및 전력 소모 측면에서 장점을 갖기 때문이다.
또한, 얇은 두께로 인해 유연한 특성을 가져 웨어러블 전자소자로의 응용이 가능하다는 이점이 있다. 하지만, 이황화몰리브덴 반도체 소재는 불포화 결합(dangling bond)을 갖지 않는 표면특성으로 인해 기존의 원자층 증착 장비로는 얇은 절연막을 균일하고 견고하게 증착하기 어렵다는 한계가 있다. 게다가 현재의 액상공정으로는 저유전율 고분자 절연막을 10나노미터 이하로 균일하게 대면적으로 증착하기가 어려워 저전압 구동이 불가능하고, 포토리소그래피 공정과 호환이 이뤄지지 않았다.
개시제 이용한 화학 기상증착법 이용
고성능의 고분자 절연막 개발… 액상공정 한계 극복 연구팀은 문제 해결을 위해 ‘개시제를 이용한 화학 기상증착법(initiated chemical vapor deposition, iCVD)’ 을 이용해 고성능의 고분자 절연막을 개발해 해결했다. 연구팀은 iCVD 공정을 이용해 이황화몰리브덴 반도체 소재 위에 10나노미터 두께의 터널링 고분자 절연막이 균일하고, 견고하게 증착됨을 확인했다. 이와 함께 기존의 이황화몰리브덴 반도체 메모리 소자가 20V 이상의 전압으로 구동되는 반면, 이번에 제작한 소자는 10V 부근의 저전압으로 구동됨을 확인했다. 최성율 교수는 “인공지능, 사물인터넷 등 4차 산업혁명의 근간인 반도체 소자기술은 기존 메모리 소자를 뛰어넘는 저전력성과 유연성 등의 기능을 갖춰야 한다”며, “이번 기술은 이를 해결할 수 있는 소재, 공정, 소자 원천 기술을 개발했다는 의의를 갖는다”고 설명했다.
 최성율 교수(좌)와 장병철 박사과정(우)
 [그림 1] Advanced Functional Materials 표지
 [그림 2] 제작된 비휘발성 메모리 소자의 개념도 및 소자 단면 고해상도 투과전자현미경 이미지
이번 연구는 KAIST 전기 및 전자공학부 최성율 교수와 생명화학공학과 임성갑 교수 공동 연구팀이 주도하고, 우명훈 석사와 장병철 박사과정 학생이 공동 1저자로 참여했다. 과학기술정보통신부 한국연구재단이 추진하는 글로벌프론티어사업, 미래소재 디스커버리 사업 등의 지원을 받아 수행됐으며, 국제적인 재료분야 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’표지 논문으로 게재됐다.
 [그림 3] 비휘발성 메모리 소자 응용을 위한 인가전압에 따른 소자 성능 확인(a) 인가된 게이트 전압에 따른 메모리 윈도우 변화 특성을 보여주는 I-V 그래프. (b) 인가된 게이트 전압이 커짐에 따라 점차적으로 증가하는 메모리 윈도우 특성. (c) 제작된 메모리 소자의 flat band상태에서의 에너지 밴드 다이어그램. (d) 쓰기 동작에서의 메모리 소자의 에너지 밴드 다이어그램. (e) 지우기 동작에서의 메모리 소자의 에너지 밴드 다이어그램. (f) 펄스 전압의 진폭에 따른 메모리 윈도우 변화를 보여주는 I-V 그래프. (g) 펄스 전압의 진폭에 따른 문턱 전압 및 전하 저장률을 보여주는 그래프
<용어설명>
1. 이황화몰리브덴(Molydbenum disulfide, MoS2) : 몰리브덴과 설파이드가 삼각 프리즘 형태로 결합하여 층상 구조를 이룬 소재로, 각 층이 아주 약한 반데르발스 인력으로 결합되어 있기 때문에 스카치테이프 등을 이용하여 쉽게 한 층을 분리할 수 있다. 얇고 유연한 특성 때문에 차세대 소자 기술에 있어 핵심적인 역할을 할 소재로 기대되고 있다. 2. 개시제를 이용한 화학 기상 증착법(initiated chemical vapor deposition, iCVD) : 개시제와 단량체를 기화하여 기상에서 고분자 반응이 이루어지게 하는 기상 증착법으로, 기판의 표면 에너지와 상관없이 개시제로부터 분해된 라디칼이 단량제와 함께 표면에 흡착되어 라디칼 중합 방식으로 고분자 박막을 증착하는 공정 3. 유전율 : 전계 혹은 전압에 의해서 양 표면에 서로 다른 극성의 전하가 유기되는 물질인 유전체의 전하를 유기할 수 있는 정도, 즉 분극의 정도를 정량화한 수치 4. 터널링 절연막 : 전압에 의해서 반도체 내에 있는 전하를 전하 저장층으로 터널링시켜 주입시키기 위한 절연막이자 저장된 전하가 누설되지 않게 막아주는 절연막 5. 게이트 커플링비 : 콘트롤 게이트에 인가된 전압이 터널링 절연막에 걸리는 전압 비율 <Energy News>
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