연잎효과 이용한 광메모리 소자 개발
- 빛의 방향에 따라 소자작동 제어, 광 모션 인식 기반 소자 활용 기대

미래창조과학부(장관 최문기)는 지난달 10일 국내 연구진이 연잎효과에 착안해 빛의 방향에 따라 반응하는 메모리 소자를 개발해냈다고 발표했다.
빛의 방향변화를 매개로 한 정보처리가 가능할 경우 전자의 이동을 이용하는 기존 소자의 신호 손상이나 왜곡 등을 완화해 향후 소자의 소형화나 모션인식소자 개발에 응용될 수 있을 것으로 기대된다. 포항공과대학교 화학공학과 용기중 교수와 박진주 연구원이 주도한 이번 연구는 미래창조과학부(장관 최문기)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 중견연구자지원사업(핵심후속연구)의 지원으로 수행되었고 신소재분야 국제학술지 어드밴스드 머티리얼즈지(Advanced Materials) 온라인판 9월 1일자에 게재되었다.
(논문명 : A light incident angle switchable ZnO nanorod memristor: Reversible switching behavior between two non-volatile memory devices)

연 구 결 과 개 요

1. 연구배경
전자제품이 갖는 공통적인 제약은 정보전달 매개체가 근본적으로 전기적 자극 즉, 전자의 이동을 통해 유도된다는 점이다. 전자소자가 소형화됨에 따라 전송선 간의 물리적 거리가 더욱 가까워지고 있는데 전자는 근본적으로 상호작용이 강하기 때문에 신호를 손상시키거나 왜곡하여 시스템 효율을 저하시키는 전기적 신호 간섭 문제가 불거지고 있다.
이를 해결하기 위해 빠른 이동 특성과 상호 비간섭 특성, 고 집적도의 용이성 등에서 월등히 우월한 빛을 도입하면 광 전기 신호를 매개로 하는 정보 처리라는 새로운 방식을 제공할 수 있을 것으로 기대된다. 특히 광 신호의 입사 방향을 인지하고 그 방향에 따라 두 가지 다른 전기적 특성을 갖는 반도체 회로가 실현되면 모션 인식이 가능할 것으로 기대된다.

2. 연구내용
본 연구는 광반응 특성을 갖는 물질의 전자회로 위에 광학밀도(optical density)가 다른 이중매질 구조를 형성하여 입사각도에 따라서 매질 사이에 발생하는 굴절률 차이에 의해 소자에 도달하는 광량을 조절하고 이로써 소자의 전기적 특성을 제어하는 기술에 관련한다. 전반사(total reflection)는 굴절률이 큰 매질에서 굴절률이 작은 매질로 빛이 입사할 때 임계각보다 큰 각도로 접근하는 경우 두 매질 사이의 경계면에서 빛이 완전히 반사되는 현상을 말한다. 이러한 빛의 전반사를 이용하면 에너지 손실 없이 빛의 진행 경로를 바꿀 수 있다. 이와 같은 극적인 굴절 특성을 의도하기 위해 굴절률이 작은 매질(공기)을 소자의 위에 굴절률이 큰 매질(물)을 가장 위에 위치하게 해야 하지만 통상적으로 광학밀도는 질량 밀도(mass density)와 비례하기 때문에 광학밀도가 높은 매질이 낮은 매질 위에 있는 상기 배치가 자연적으로 이루어지기 어렵다.

이 문제점을 해결하기 위해서 나노선의 표면을 표면에너지가 낮은 물질로 화학코팅하는 bottom-up 방식의 초발수성 표면 처리를 거쳐 두 가지 유동성 매질(공기와 물)이 안정적인 배열을 형성하도록 하였다. 즉, 초발수성 표면은 물속에 담지될 때 표면과 물층 사이에 공기층을 보유하는 성질이 있기 때문에 물(상부)/공기(하부) 구조를 형성할 수 있다. 이러한 공기층은 또한 전기배선을 수분으로부터 보호하여 물속에서도 소자가 작동할 수 있는 water-proof 전자소자 개발을 가능케 해준다.
본 연구팀은 다양한 나노 구조물을 합성하고 소자에 초발수성 표면 처리를 거쳤다. 특히 산화 아연 나노선을 사용하여 직접 차세대 메모리 소자인 멤리스터로 작동하도록 하였으며 동시에 반도체로서 광 반응성을 이용하였다. 특히 나노선을 이용하는 경우 표면 거칠기를 제공할 뿐만 아니라 소자의 집적도를 향상시킬 수 있고 넓은 비표면적으로 광 반응성을 극대화할 수 있다는 장점을 가진다.

3. 기대효과
본 연구에서는 빛의 입사 각도에 따라서 동일한 소자에서 두 가지 다른 소자 특성-멤리스터(memristor) 특성과 저항체(resistor) 특성-을 나타내는 원천기술을 개발했다는 데 중요한 의의가 있다. 상기 소자의 광 입사각 선택성은 광 입사 방향이 고정된 상황에 적용되더라도 소자가 광 입사 방향에 평행한 축을 중심으로(오뚝이 혹은 시소처럼) 경사각을 바꾸는 움직임이 있을 때에도 동일한 효과를 얻을 수 있다. 이는 굳이 소자의 동적 상태(예를 들면 위치나 동작)를 크게 변화시키지 않고도 소자의 경사각도에 변화를 주는 것만으로 소자의 성능을 제어할 수 있음을 시사한다. 또한 광자는 전자보다 이동 속도가 빠르고 신호 간섭성이 작다는 장점이 있기 때문에 소자의 작동 속도를 높이거나 크기를 줄이는 부가적인 효과를 기대할 수 있다.

= 용 어 설 명 =
1. 멤리스터(memristor)
- 전류의 크기나 방향에 따라 저항의 강도가 바뀌고 그 경험을 기억하는 전기소자로 메모리(memory)와 저항(resistor)의
   합성어로 명명
- 레지스터, 커패시터, 그리고 인덕터에 이은 네 번째 전자회로 구성요소
- 전기가 끊어져도 마지막 상태의 저항을 저장하고 다시 흐를 때까지 그 상태를 기억하는 비휘발성 메모리의 특성을 가져
   속도가  빠르고 저장 용량이 큰 메모리 반도체를 만드는 데 쓰인다.
2. 연잎효과(lotus effect)
- 연잎에 무수히 돋아있는 나노돌기로 인해 연잎이 물방울에 젖지 않는 현상
- 나노돌기가 물방울을 퍼뜨리지 않고 맺히게 하는 원리
3. 임계각(critical angle)
- 전반사가 일어나기 위한 최소한의 입사각(광선이 표면의 수직선과 이루는 각도)
- 빛이 진행하는 매질과 입사하려는 매질의 굴절률에 의해 결정되며, 물-공기 경계면에서의 임계각은 약 48.6°이다.

그림 1. 빛의 입사각도 조절 기반 소자의 디지털 회로 개념
(좌) 노란 선으로 표시된 임계각(Critical angle)을 기준으로 빛이 입사하는 각도의 크기가 달라질 때 빛의 진행경로가 바뀌는 모식도. 그에 따라 동일한 소자에서 두 가지 특성-멤리스터 (Memristor, 보라색 회로 기호)와 저항체(Resistor, 주황색 회로 기호)- 을 가역적으로 나타낼 수 있음을 보이는 개념도
(우) 광원을 고정시켰을 때 소자의 기울기 변화를 통해서도 상기 소자 특성 변화 효과를 얻을 수 있음을 보여주는 모식도. 반구에서의 임계각을 기준으로 멤리스터와 저항체를 유도하는 위치를 구분지을 수 있음 (각각 보라색의 멤리스터 구역, 주황색의 저항체 구역)

그림 2. 소자의 구현 및 특성 평가
(a) 물에 소자를 넣었을 때 초발수 특성으로 인해 나노선 표면에 형성된 공기층으로 인해서 빛의 굴절부터 전반사까지 빛의 경로를 보여주는 모식도
(b) 표면 처리를 거친 소자(위)와 처리하지 않은 소자(아래)의 기울기를 동일하게 변화시켰을 때 젖음 특성의 차이와 표면 처리한 소자의 경우 화각(view angle)이 임계각을 넘을 때(③,④) 공기층에 의한 거울상 특성이 나타나는 사진
(c) 수직하게 배열된 산화아연 나노선의 형태를 보여주는 주사전자현미경 사진(SEM)
(d) 소자의 구조와 전기적 배열을 보여주는 회로도
(e) 임계각보다 큰 60°의 입사각으로 빛을 조사하였을 때 나타나는 소자의 전기적 특성으로 저항체처럼 작용하는 그래프
(f) 임계각보다 작은 10°의 입사각으로 빛을 조사하였을 때 나타나는 소자의 전기적 특성으로 전형적인 멤리스터로 작용하는 그래프

용 기 중
- 1990 : 연세대학교 화학공학과 학사
- 1992 : 연세대학교 화학공학과 석사
- 1997 : Carnegie Mellon University 박사
- 1997년 ~ 2000년 : 텍사스대(Univ. Texas at Austin) Postdoctoral Fellow
- 2000년 ~ 현  재 : 포스텍 화학공학과 교수

박 진 주
- 2006 ~ 2010 : 중앙대학교 화학공학과 학사
- 2010 ~ 현재 : 포항공과대학 박사과정 중