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이달의 과학기술자상 - 김태환 한양대 교수 차세대 비휘발성 메모리 소자 개발 *** 사진은 1일자 사회부 화상에,,, 실리콘을 소재로 하는 D램이나 플래시 메모리와 같은 저장 매체는 고속ㆍ고집적을 추구하면서도 갈수록 소형화되는 전자기기에 사용하기 위해 크기를 끊임없이 줄여야 한다. 기술발달로 전자소자의 크기가 갈수록 작아지고 있지만 발생하는 누설 전류와 내부 발열 증가를 더 이상 감당하기 어려운 단계에 이르렀다. 이 문제를 극복하기 위해 많은 연구자들이 양자 역학에 기초한 나노 원천기술을 확보하고 위해 치열한 연구경쟁을 펼치고 있다. 그 중에서도 무기물ㆍ유기물 복합 구조는 유기물이나 무기물 단독으로는 얻을 수 없는 새로운 물리적 현상을 나타내기 때문에 차세대 메모리 소자를 연구하는 이들의 주된 연구대상이다. 김태환(54) 한양대 융합전자공학부 교수는 무기물ㆍ유기물 복합 소재를 사용해 기존의 실리콘 기반의 반도체 메모리 소자를 대체하는 새로운 구조의 차세대 비휘발성 메모리 소자를 제작하는데 성공했다. 김 교수는 나노 복합체에 존재하는 다양한 무기물 나노 입자의 전하 포획 여부에 따라 소자의 전기 전도도도 변한다는 점에 착안했다. 무기물 나노 입자가 분산된 고분자 용액을 스핀 코팅해 기억 매체가 되는 활성층을 형성하는 방법으로 비휘발성 메모리 소자를 제작했다. ‘유기 쌍안정성 소자’로 불리우는 이 비휘발성 메모리 소자는 제작이 간단하고 단순한 구조로 인해 고속ㆍ고집적이 용이한 것이 가장 큰 특징이다. 비휘발성은 예를 들어 컴퓨터의 전원이 갑자기 꺼지더라도 작업한 내용이 그대로 남아있는 것처럼 외부 전압을 차단해도 메모리 소자가 기억 상태를 계속 유지하는 것을 말한다. 김 교수는 “고분자 유기물을 사용하면 나노 입자와 고분자를 용매에 녹여 스핀 코팅이나 프린팅과 같은 공정을 사용할 수 있기 때문에 공정이 매우 간단하고 생산성을 높일 수 있다”면서 “이렇게 제작된 유기 쌍안정성 소자는 외부 전압을 차단해도 기억 상태를 계속 유지하는 비휘발성 특성을 지닌다”라고 말했다. 김 교수는 또 그래핀(graphene)을 활용해 잘 휘어지는 메모리 소자도 개발해 주목을 받고 있다. 그래핀은 강도가 세고 전기 전도도가 매우 우수하면서도 잘 휘어지는 특성이 있어 차세대 반도체 소자로 각광받고 있다. 김 교수는 투명 플라스틱 기판에 그래핀 박막을 삽입하는 방식으로 자유자재로 휘어지는 유기 쌍안정성 소자를 개발했는데, 구부리더라도 메모리 기능에 변화가 없는 것으로 나타났다. 이 같은 연구성과는 나노 분야의 권위있는 학술지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’‘나노테크놀로지(Nanotechnology)’ 등에 잇따라 게재됐고 국내ㆍ외에 특허 출원됐다. 또 삼성전자 등 국내 반도체 회사에 기술이전돼 실제 제품에 적용되고 있다. 김 교수는 “현재 사용되고 있는 반도체 기반의 소자는 소형화와 고집적화에 따른 기술적, 물리적 한계에 봉착하고 있기 때문에 플렉시블 기판을 사용한 비휘발성 메모리 소자를 제작하면 인공지능 중앙처리장치(CPU)나 휴대폰 등에 다양하게 활용될 수 있을 것”이라면서 “앞으로 나노기술은 물론 정보기술(IT)과 생명공학(BT) 등과 접목해 융합 분야의 원천기술을 확보하는 연구를 계속해 나갈 계획”이라고 말했다.
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