대학소식

연잎효과 이용한 광메모리 소자 개발(연구재단 배포 보도자료)

2013-09-121,343

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



국내 연구진이 연잎효과*에 착안해 빛의 방향에 따라 반응하는 메모리 소자를 개발해냈다. 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.

 
* 연잎효과 (lotus effect) : 연잎에 무수히 돋아있는 나노돌기로 인해 연잎이 물방울에 젖지 않는 현상
** 모션인식소자 (motion sensing device) : 사용자나 장치의 움직임을 조정하여 위치를 감지하거나 제어하는 기술
기반의 소자
 
포항공과대학교 화학공학과 용기중 교수와 박진주 연구원이 주도한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 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)
 
□ 전자보다 빠르고 간섭이 적은 빛을 이용하는 광소자 연구가 활발하지만 빛의 방향을 인식하는 전자소자에 대한 성과는 미미하다.
o 빛을 조사(照射)하고 차단하는 방식으로 메모리 기능을 갖게 할 뿐만 아니라 장치의 움직임 등에 따라 빛의 방향을 달리해 저항특성을 바꿀 수 있게 되면 보다 다양한 방식으로 소자를 제어할 수 있다.

□ 용 교수 연구팀은 물속에서도 젖지 않는 연잎표면의 돌기를 모방한 나노선 구조를 제작하고, 이를 이용해 빛의 입사방향에 따라 저항특성이 변하는 광메모리 소자를 개발했다.
* 나노선(nanowire) : 수 십 ~ 수 백 나노미터(10억분의 1미터)의 굵기를 갖는 반도체 물질로 이루어진 머리카락 형태의 나노 구조체
o 나노선을 둘러싼 공기와 물 사이 경계에서의 굴절률 차이로 인한 특정각도로 빛이 들어오면 저항이 변하는 메모리가 되고, 빛이 들어오지 않으면 저항이 변하지 않는 저항체가 되도록 한 것이다.
o 소자를 미세하게 기울이는 등의 방식으로 하나의 소자가 두 가지 역할을 할 수 있어 향후 다기능성 소자 및 모션인식소자로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.


□ 연구팀은 왁스성분으로 코팅된 연잎의 미세돌기로 인해 연잎이 물에 젖지 않는 연잎효과를 이용했다.
o 일정각도로 입사시 빛이 전혀 도달하지 않는 전반사 현상을 이용하기 위해서는 굴절률이 큰 물에서 굴절률이 작은 공기층 방향으로 빛이 들어와야 한다.
o 결국 자연적인 상태와 반대로 나노선을 기준으로 비중이 큰 물이 공기보다 더 위에 놓여야 한다.


□ 이를 위해 연잎을 모방해 빛에 반응하는 산화아연으로 합성한 나노선을 단분자막으로 코팅했다.
o 이같은 코팅의 결과 나노선 소자는 물속에서 먼저 공기층으로 둘러싸이게 된다.
o 나노선을 감싼 공기층과 물의 굴절률 차이로 빛의 입사각에 따라 소자에 도달하는 광량이 달라지도록해 소자를 제어한 것이다.


□ 용 교수는 “나노소자와 생체모방기술을 접목하여 빛의 입사각에 따라 저항변화 특성이 조절되는 소자기술을 개발한 것”이라고 밝혔다.
 
 
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 정보처리라는 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 물 속에 담지될 때 표면과 물 층 사이에 공기 층을 보유하는 성질이 있기 때문에 물(상부)/공기(하부) 구조를 형성할 수 있다. 이러한 공기층은 또한 전기배선을 수분으로부터 보호하여 물 속에서도 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 개발했다는데 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.