^*저항메모리: 차세대 반도체 메모리 소자의 한 종류로 저항 변화를 이용해 정보(0,1)를 저장하는 장치

^*파킨슨병: 퇴행성 뇌질환의 하나로 뇌의 신경세포가 죽어 근육의 떨림, 경련과 같은 운동이상이 나타나는 병이다.

^*이온결합: 음이온과 양이온이 정전기적 결합으로 이뤄진 물질. 소금이 대표적이다.

^*연신변형률: 재료에 잡아당기는 힘을 가했을 때 최대로 늘어날 수 있는 길이와 원래 재료의 길이 간 비율. 재료의 신축성을 알 수 있다.

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

플렉서블, 스트레쳐블 전자 소자는 센서, 디스플레이, 메모리 및 에너지 디바이스 등 다양한 분야에 이용되고 있다. 특히 스마트 웨어러블 장치에서 사용될 수 있다는 장점이 있어 수요와 관심이 점점 증가하고 있다. 특히 이러한 전자 소자는 적합한 기계적, 전기적 특성을 가진 재료의 개발에 크게 좌우 되는 실정이다.

다른 무기물과는 달리 황화 은(Ag2S)은 덩어리상태(벌크) 결정에서 금속과 유사한 연성을 가지고 있다. 하지만 기존에 알려진 황화은 벌크 소재의 합성법의 경우 고온, 복잡한 공정 과정 및 장비 등 한계가 있어 저온에서 쉽게 합성 가능한 방법 개발이 필요하게 했다. 이에 본 연구팀은 간단한 용액공정을 이용하여 우수한 기계적 특성을 가진 황화은 반도체 박막 제조에 성공하였다.

2. 연구내용

본 연구는 신축성 있는 저항기반성 메모리반도체를 만들기 위하여 용액공정을 이용해 박막 제조를 시도했다. 우선 황화은(Ag2S) 분말을 아민계(-amine) 용매와 사이올계(-thiol) 용매를 섞어 만든 공용매(Alkahest solvent)에 녹여 ‘황화은 잉크’를 만들었다. 그런 다음 ‘스핀 코팅(spin coating)’ 공정을 이용해 박막형 저항기반성 메모리반도체(RRAM)를 제작하여 건강 모니터링이 가능한 신축성 있는 웨어러블 디바이스도 제작했다. 스핀 코팅은 용액(황화은 분말 + 공용매)을 기판에 올린뒤 기판을 빠르게 회전시켜 기판에 황화은을 코팅하는 기법이다.

용액공정을 이용하여 웨이퍼 스케일(4-inch)의 대면적화까지 성공하였으며, 저비용으로 고품질의 박막을 만들 수 있다. 용액은 기판의 종류와 상관없이 균일한 두께 100나노미터(㎚, 1㎚는 10억 분의 1m) 의 매우 얇은 막을 형성한다. 이를 약 300℃의 온도에서 가열하여 미세구조가 우수한 황화은 박막을 제조할 수 있다.

이 황화은(Ag2S) 박막은 약 15 %의 신축성에도 구조 변화가 없음을 확인하였다. 이는 기존 벌크형 황화은 소재에 비해 연구팀이 개발한 황화은 박막이 훨씬 우수한 기계적 특성을 가진다는 것을 의미한다.

신축성이 우수한 황화은(Ag2S) 박막은 저항기반성 메모리반도체(RRAM)로서 뛰어난 성능을 가지고 있었다. 이를 이용해 신축 ‘박막형 황화은 저항기반성 메모리 반도체’를 제작해 세계 최초로 보고했다. 제조된 황화은 저항기반성 메모리 반도체는 높은 on/off 전류비 차이, 작동 내구성을 갖고 있었다. 기계적 안정성이 우수할 뿐만 아니라 다양한 온도, 유기용매, 고온다습과 같은 외부 환경에서도 전기적 물성 변화 없이 메모리 반도체의 성능이 잘 유지 되었다.

저항 메모리 반도체를 실제 웨어러블 디바이스에 적용시키기 위해 파킨슨병 환자를 모니터링 할 수 있는 헬스케어 시스템을 개발하였다. 파킨슨 병은 뇌의 신경세포 손상으로 손과 발에 경련이 일어나고, 보행이 어려워지는 질병이다. 실제로 디바이스 저항 값의 차이가 생겨 환자 모니터링 정보를 저장할 수 있다.

3. 기대효과

용액공정을 통해 황화은 기반 고 신축성 박막 제조에 성공하였으며, 나아가 신축 가능한 저항기반성 메모리반도체(RRAM)를 제작하여 기술의 가치를 증명했다. 제작된 저항기반성 메모리반도체는 높은 on/off 전류비 차이, 높은 작동 내구성 및 데이터 유지시간을 가지고 있으며, 다양한 외부환경(화학적, 온도, 습도)에도 아주 뛰어난 내구성을 충족시켰다. 또 웨어러블 디바이스를 제작하여 생체 데이터를 저장할 수 있어 다른 전자장치에도 접목시킬수 있을 것이라는 가능성을 제시했다는 의미도 있다.

또한, 용액공정을 통해 합성된 황화은 잉크는 조성 제어 및 도핑 공정을 통해 또 다른 분야에서 쉽게 적용할 수 있다. 특히 뉴로모픽 소자의 재료로 사용하면 뛰어난 신축성을 가지는 메모리 소자로 사용될 수 있을 것이다.

[붙임] 그림설명

그림 1. 무기 박막 반도체 제작 과정 a) 황화은(Ag2S) 잉크 및 박막 제작 과정 모식도 b) 실리콘 웨이퍼(기판) 위에 올라간 박막을 사진 촬영한 이미지 c) 박막 표면을 전자현미경으로 촬영 이미지.

그림 2. 합성된 박막 무기 반도체를 이용한 저항 메모리 소자 a) 스트레쳐블 황화은 박막 저항메모리 모식도 및 집속이온빔 (FIB) 단면 전자현미경 촬영 이미지 b) 스트레쳐블 황화은 박막 저항기반성 메모리의 단면 촬영 이미지. 길이가 늘어남을 볼 수 있다. c) 황화은 박막 저항기반성 메모리의 전류-전압 그래프

그림 3. 개발된 저항메모리를 이용한 파킨슨병 환자 모니터링 장치 a) 자가 발전이 가능한 파킨슨병 환자 모니터링 기기. 손목에 부착할 수 있다. b) 기기의 회로 구성 모식도