[기계신문] 플렉서블·스트레쳐블 전자소자는 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.
패치형 헬스모니터링 기기나 접히고 말리는 디스플레이에는 유연한 반도체를 써야 한다. 유연 반도체 대부분은 유기물 기반인데, 무기물 기반의 유연 반도체가 개발됐다.
딱딱하고 잘 부스러지는 것으로 알려진 무기 소재로 만든 반도체라 눈길을 끈다. 고온·고압 공정 자체를 잘 견디는 무기 소재인데다가 내구성도 좋아 다양한 플렉서블 전자기기 개발에 쓰일 수 있을 것으로 기대된다.
최근 UNIST 신소재공학과 손재성·최문기·김주영 교수팀이 황화은(Ag₂S) 무기반도체 박막을 저렴한 용액공정으로 합성하는 데 성공했다. 합성된 박막으로 제작된 저항 변화 메모리소자(RRAM, 알 램)를 파킨슨병 환자 모니터링 장치에 적용해 무기반도체 박막의 성능도 입증했다. 개발된 장치를 환자 몸에 붙이면 근육 경련과 같은 파킨슨병 환자의 운동이상을 감지할 수 있다.
다른 무기물과는 달리 황화은은 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 필요했다.
연구팀이 개발한 황화은 무기반도체 박막은 반도체 특성을 보임과 동시에 신축성이 좋다. 기존 무기반도체 소재는 이온 결합 등으로 이루어져 있어 본질적으로 쉽게 부서지는 특성이 있지만, 이번에 개발된 황화은 박막은 연신 변형률이 15%에 이를 정도로 신축성이 우수한 반도체 소재이다.
조승기 연세대학교 KIURI 연구단 박사후 연구원은 “무기반도체 소재는 유기화합물 반도체 소재보다 선천적으로 우수한 열적·화학적 안정성을 지녀 고온다습한 특수 환경에서도 안정적으로 구동 가능한 스트레쳐블 전자소자에 쓸 수 있다”고 설명했다.
특히 이번에 개발된 무기반도체 박막은 기존과 달리 저렴한 저온 용액공정으로 제조할 수 있어 상업화에도 유리하다. 무기반도체 입자와 용매가 섞인 용액을 기판 위에서 회전시켜 고르게 코팅하는 방식이다. 용매는 증발시켜 제거한다.
조소영 UNIST 신소재공학과 석사과정 연구원은 “원재료에 상당한 고온·고압을 가하는 기존 생산 방법은 박막 생산비가 비쌀 뿐더러, 메모리 반도체 소자를 이루는 다른 재질 층이 고온·고압을 견디지 못해 소자 제작에 바로 적용하기 힘들다는 단점이 있었다”고 설명했다.
또, 연구팀은 이를 이용해 세계 최초로 ‘신축성을 지닌 박막형 황화은 기반 저항메모리 반도체’를 개발했다. 이 메모리 반도체 소자는 높은 on/off 전류비 차이, 작동 내구성을 보여 패치형 헬스모니터링 기기 개발에도 쓰일 수 있었다.
양우정 UNIST 신소재공학과 석·박사통합과정 연구원은 “스트레쳐블 저항 변화 메모리를 모션 센서와 결합해 파킨슨병 환자를 모니터링할 수 있는 패치형 장비를 개발했다”면서 “터치센서를 이용하면 대면적 매트릭스 디바이스 제작도 가능하다”고 설명했다.
이번 연구에서는 용액공정을 통해 황화은 기반 고신축성 박막 제조에 성공했으며, 나아가 신축 가능한 저항기반성 메모리 반도체(RRAM)를 제작하여 기술의 가치를 증명했다.
제작된 저항기반성 메모리 반도체는 높은 on/off 전류비 차이, 높은 작동 내구성 및 데이터 유지시간을 가지고 있으며, 다양한 외부환경에도 아주 뛰어난 내구성을 충족시켰다. 또, 웨어러블 디바이스를 제작하여 생체 데이터를 저장할 수 있어 다른 전자장치에도 접목시킬수 있을 것이라는 가능성을 제시했다.
아울러 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 것으로 기대된다.
한편, 한국연구재단의 미래소재디스커버리사업, 도전형 소재기술개발 프로그램 등을 통해 수행된 이번 연구 성과는 국제 과학저널 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’ 4월 30일 온라인판에 발표됐으며, 표지논문(inside back cover)으로 선정되어 출판을 앞두고 있다.
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