자유자재로 휘고 접을 수 있는 유연한 유기메모리소자 개발
국민대학교 신소재 공학부 이장식 교수는 얇은 플라스틱 기판에 유기메모리소자를 제작해 쉽게 휘고 접을 수 있는 메모리소자 구현에 성공했다. 이 소자는 유기메모리소자의 최대 단점인 장시간 사용에 따른 정보저장 능력 저하나 반복된 동작으로 인한 기능 저하라는 한계를 극복했다. 일반적인 반도체 소자는 실리콘 등 딱딱한 재질의 기판으로 제작된 반면, 이장식 연구팀은 얇고 유연한(flexible) 플라스틱 기판 위에 유기 트랜지스터 기반의 비휘발성 메모리 소자를 구현했다. 전원이 없는 유기메모리소자는 단시간(일반적으로 수시간 내)에 쉽게 정보를 소실한다. 이런 한계를 극복하기 위해 정보저장 층에 전하를 저장하는 특성이 뛰어난 ‘금나노입자’를 사용해 최장 1년간 정보를 저장할 수 있도록 개선했다. 개발된 플렉서블 유기메모리소자는 기존 플래시 메모리 소자의 구조를 가지면서도, 쉽게 휘고 접을 수 있는 형태의 메모리 소자라는 점에 큰 장점이 있다. 실제로, 1,000회 이상 반복적으로 휘거나 구부려도 저장된 정보가 소실되지 않았다. 플렉서블 메모리 소자 기술 개발을 통해 기존 플렉서블 ▲디스플레이 ▲태양전지 ▲배터리 제조 기술 등과 결합해 ▲시계처럼 손목에 차는 휴대폰 ▲티셔츠처럼 입고 다닐 수 있는 컴퓨터 ▲두루마리 형태의 전자책이나 태블릿 PC 등 신개념 차세대 전자제품을 개발할 수 있는 가능성을 제시했다. 이런 유기메모리소자의 핵심 기술들은 이미 특허 출원 중으로 향후 플렉서블 전자기기가 상용화될 때, 우리나라가 반도체 소자 분야에서 기술 우위를 점하는 데 큰 도움이 될 것으로 예상된다.

차세대 플렉서블 비휘발성 메모리 소자 개발
그래핀(graphene) 소재는 가볍고 잘 휘어지는 유연성을 지녔다. 전기적 성질도 우수해 ▲플렉서블 메모리 ▲플렉서블 디스플레이 ▲플렉서블 태양전지 ▲플렉서블 바이오 공학 등에 응용 가능성이 높다. 한양대학교 융합전자공학부 김태환 교수는 그래핀을 이용한 다양한 연구 분야 중 유기물/무기물 나노 복합체를 사용해 플렉서블 유기 쌍안정성 메모리 소자를 제작했다. 제작된 AI/PMMA/그래핀/ITO/PET 구조의 플렉서블 유기 쌍안정성 소자는 평평한 상태나 휘어진 상태에서 ▲전류-전압 ▲스위칭 ▲retention ▲cycling 특성이 상용화에 적용할 수 있을 정도로 뛰어났다. 이런 특징을 지닌 차세대 플렉서블 비휘발성 메모리 소자는 차세대 전자소자/광전소자에 적용 가능성을 보여 세계적인 나노분야 학술지인 Nano Letter에 발표됐다. 또한 국내 및 미국에 원천 특허를 획득했으며, 이미 삼성전자에 기술을 이전했다. 플렉서블 유기 쌍안정성 메모리 소자 기술은 세계 최초로 그래핀을 사용해 휘어진 상태에서도, 성능이 저하되지 않는 우수한 소자를 차세대 전자/광전 소자에 응용할 수 있다. 유비쿼터스 시대에 전자책 및 플렉서블한 휴대용 기기는 반드시 필요하다. 이는 소자가 휘어져도 안정된 성능을 보여야 한다는 것을 의미한다. 그래핀을 사용한 플렉서블 유기 쌍안정성 비휘발성 메모리 소자는 활용 가능성이 다양하다. 또한 이에 대한 원천기술로 메모리 소자를 저렴하고 간단하게 제작할 수 있어 생산성이 뛰어난 기술이다.

저항 변화형 비휘발성 유기메모리 실용화를 위한 기초 연구
광주과학기술원 신소재공학부 이탁희 교수는 폴리이미드(PI)와 버키볼(C60) 유도체인 PCBM의 혼합 용액을 활성층으로 사용해 유기메모리 소자를 구현했다. 인가전압에 따라 메모리 소자는 활성층 내에서의 저항 상태가 높거나 낮게 변화한다. 높은 저항 상태나 낮은 저항 상태는 인가전압이 제거되어도, 메모리 소자의 활성층 내부에서 정보를 유지하기에 비휘발성 메모리 소자로 구현될 수 있다. 그러나 메모리 실용화를 위한 직교 막대형 어레이 형태의 메모리 구조는 cross-talk 현상을 야기한다. 따라서 이탁희 교수는 무기물 쇼트키 다이오드와 유기물 비휘발성 메모리 소자가 결합된 ID-1R 소자를 제작해 문제를 해결했다. 또한 유기물질의 장점인 휘어지는 기판 위에 유기 메모리를 구현해, 소자의 전기적인 특성을 분석했다. 유기 물질로 구성된 유기 메모리의 활성층은 스핀코팅을 통해 유기물을 증착한다. 하지만 3차원으로 적층할 경우 이미 제작된 활성층이 그 위에 증착되는 활성층의 유기 용매에 의해 섞이게 되어, 메모리의 층간 구별이 되지 않는 문제점이 발생한다. 앞서 언급한 폴리이미드(PI)와 PCBM 물질의 고온 경화 공정을 통해 이런 문제점을 해결했으며, 메모리 집적도 향상을 위한 3차원 적층형 구조의 유기 메모리 소자를 구현했다. 위의 3가지 결과는 전 세계가 주목하는 차세대 고집적 유기 메모리 소자 개발에 응용할 수 있다는 점에서 의미가 있다. 또한 Advanced Materials 誌에 3가지 논문 모두 표지논문(Cover Picture Article)으로 소개됐다(Vol. 22 Issue 11, Pages 1228-1232
(2010), Vol. 22, Issue 28, Pages 3071-3075(2010), Vol. 22, Issue 44, Pages 5048-5052(2010). 유기 메모리 소재 및 소자 연구는 산업적 측면에서 실리콘 무기 반도체의 구현하기 힘든 휘어지는 소자 및 적층된 형태의 소자 구현이 가능하다. 생산 비용도 상당히 저렴해 차세대 메모리 기술 문제의 돌파구를 제시할 수 있다. 또한 ▲소형화 ▲고집적화 ▲저소비 전력의 정보저장 ▲처리용 칩의 원천 기술 확보가 가능하며, 차세대 반도체 기술을 대신할 고집적 유기 메모리 제품을 제작할 수 있는 가능성을 제시하고 있다. 유기 소재를 이용한 메모리 소자 기술은 기존 메모리뿐만 아니라 반도체 전자 소자 기술 분야, 반도체 전자 소자를 기반으로 하는 ▲유/무선 통신기술 ▲컴퓨터 기술 ▲가전제품 기술 ▲전자 산업 등의 많은 산업 기술 발전에 커다란 영향을 끼칠 것으로 보인다. 또한 기존 정보 통신 기술과 결합하면 실생활과 경제, 사회적 파급 효과가 커 정보 기술과 나노산업 융합 산업에 기여할 것으로 예상된다.