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'방수 컴퓨터'에 해당되는 글 1

  1. 2012.04.23 물에 젖지 않는 스마트폰 개발의 핵심 방수메모리

일반적으로 반도체 소자는 누설전류로 인해 물에 취약하기 때문에 소자를 방수처리하기 위한 다양한 연구들이 진행되고 있습니다.

나노선 구조를 이용해 물속에서도 젖지 않는 차세대 메모리 소자의 원천기술이 개발됐습니다.

이는 방수 컴퓨터나 스마트폰 개발을 가능하게 하는 기술입니다.

■ 포스텍 용기중 교수팀은 생체모방기술 중 연잎효과를 이용해 물속에서도 젖지 않으면서 전원 없이도 저장된 정보를 유지할 수 있는 차세대 비휘발성 저항메모리 소자(RRAM)를 개발했습니다.

연구팀은 물방울이 연잎 표면을 적시지 않으면서 먼지 등을 씻어내는 자가세정, 방수효과, 결빙방지 등의 특성을 갖는 연잎효과(Lotus Effect)를 이용해 텅스텐 산화물 반도체 나노선을 합성한 후, 표면을 단분자막으로 화학코팅하여 물속에서도 젖지 않으면서 자가세정 효과가 있는 초발수(超撥水) 저항메모리 소자를 만들었습니다.

(위) 텅스텐산화물 나노선을 이용한 저항메모리 소자의 모식도, (아래 왼쪽) 소자 저항 변화 특성, (아래 오른쪽) 물에 젖지 않는 초발수 특성 사진.

특히 이번 연구는 기존의 저항메모리 소자 개발에 추가적인 공정 없이도 초발수 특성을 유지하여, 물에 젖지 않으면서도 안정적으로 소자가 작동되는 것이 특징입니다.

이번 연구는 나노소자와 생체모방기술을 접목하여 반도체 소자의 방수특성을 더욱 향상시켰다는데 의미가 있는 것으로, 향후 방수되는 컴퓨터와 스마트폰 개발에 활용될 전망입니다.

이번 연구결과는 신소재분야의 권위 있는 학술지인 'Advanced Materials'지에 온라인 속보(4월 10일자)로 게재되었습니다.
(논문명: Resistive switching WOx-Au core-shell nanowires with unexpected nonwetting stability even when submerged under water)

(a,b) 물에 넣었을 때 초발수 특성으로 인해서 나노선 표면에 형성된 공기층으로 인해서 전반사가 일어나 거울상의 특성을 보여주는 사진. (c) 초발수 특성을 선택적으로 일부분만 처리하여 물에 넣었을 때 처리한 부분은 표면이 젖지 않고 처리안한 부분은 젖은 사진. 물에서 꺼내어 바로 측정해도 소자의 작동이 정상적으로 이루어지는 결과.

 

제1저자인 이승협 박사 (현재 박사학위 후 삼성종기원 근무)

<연 구 개 요>

초발수 표면은 물의 접촉각이 150도 이상을 갖는 상태를 의미하며 흔히 연잎표면에서 자연적으로 관찰되어 연잎효과(Lotus effect)로 잘 알려져 있다.
이와 같은 초발수 표면은 물방울이 표면을 적시지 않고 먼지 등을 씻어내어 자가세정, 방수효과, 얼음방지 등의 특성을 가지고 있으며 다양한 분야의 활용 가능성으로 인해서 현재 많은 관심 속에 연구가 진행되고 있다.
 
이와 같은 초발수 표면 제작은 기본적으로 연잎의 구조를 모방하는 생체모방기술이라 볼 수 있으며, 접근법에 따라서 top-down 방식과 bottom-up 방식이 있다.
Top-down 방식은 크기를 줄여나가서 연잎의 마이크로 돌기 형태의 구조를 제작하는 방식이며, bottom-up 방식은 분자들의 자기정렬을 통해서 나노 혹은 마이크로 형태의 구조를 제작하는 방식이다.
일반적으로 top-down 방식에 비해서 bottom-up 방식이 상대적으로 공정이 간단하고 제조 단가를 낮출 수 있다는 장점을 가진다.
 
본 연구팀은 다양한 나노선을 합성하고 나노선의 표면을 단분자막으로 화학코팅하여 bottom-up 방식의 초발수 표면을 구현하였다.
특별히 텅스텐 산화물 반도체 나노선을 기판위에 증착하여 이를 이용하여 차세대 메모리 소자인 저항메모리소자를 구현하였으며, 동시에 나노선의 표면처리를 통해서 초발수 특성을 갖게 하는 다기능성의 소재를 개발하였다는 점에서 기존의 다른 연구들과 차별화 될 수 있다.
 
저항메모리 소자는 차세대 메모리 소자로서 인가된 전압에 따라서 저항상태가 고저항/저저항 상태로 스위칭되는 특성을 가지고 있는 비휘발성의 차세대 메모리 소자로 많은 관심을 받고 있다.
특별히 나노선을 이용하는 경우 소자의 집적도를 향상시킬 수 있다는 장점을 가진다.
 
대부분의 전자소자가 누설전류로 인해서 물에 취약한 특성을 보이기 때문에 현재 소자의 방수처리를 위한 다양한 연구들이 진행되고 있다.
본 연구를 통해서 개발된 나노소자는 추가적인 패키징 없이 물속에서도 초발수 특성을 유지하여 물에 젖지 않음으로써 안정된 소자의 작동을 나타낸다는 특성을 나타내고 있다.
 

이와 같은 초발수 특성은 전자소자의 방수특성을 더욱 향상 시킬 수 있으며 또한 다양한 환경에서도 작동될 수 있는 소자 개발을 위한 원천기술을 개발했다는 데 중요한 의의가 있다.


 용  어  설  명

나노선  :
수 십~수 백 나노미터(10억분의 1미터)의 굵기를 갖는 반도체 물질로 이루어진 머리카락 형태의 나노 구조체

누설전류(漏泄電流) :
절연체(열이나 전기의 이동을 방해하는 물질)에 전압을 가했을 때 흐르는 약한 전류

저항 메모리(Resistive RAM: RRAM또는 ReRAM) :
차세대 비휘발성 메모리의 한 종류.
RRAM은 부도체 물질에 충분히 높은 전압을 가하면 전류가 흐르는 통로가 생성되어 저항이 낮아지는 현상을 이용한 것이다.
일단 통로가 생성되면 적당한 전압을 가하여 쉽게 없애거나 다시 생성할 수 있다.
페로브스카이트(perovskite)나 전이금속산화물, 칼코게나이트 등의 다양한 물질을 이용한 RRAM이 개발되고 있다.

연잎효과(Lotus effect) :
연잎 위에 먼지가 떨어져 있을지라도 연잎은 그걸 받아들이지 않고 물과 함께 버린다.
잎이 물방울에 젖지 않는 현상을 일컬어 연잎효과라고 한다.
이러한 원리의 가장 핵심적인 요소는 바로 연잎에 무수히 나있는 나노돌기이다.
나노돌기는 떨어진 물방울을 퍼뜨리는 것이 아니라 맺히게 함으로써 연잎에 떨어진 물 역시 표면에 적셔지지 못하고 서로 합쳐진 것들조차 떨어지게 된다.


 

<용기중 교수>

1. 인적사항

○ 소 속 : 포스텍 화학공학과 교수

2. 학력
○ 1990 : 연세대학교 화학공학과 학사
○ 1992 : 연세대학교 화학공학과 석사
○ 1997 : Carnegie Mellon University 박사

3. 경력사항
○ 1997년 ~ 2000년 : 텍사스대(Univ. Texas at Austin) Postdoctoral Fellow
○ 2000년 ~ 현재: 포스텍 화학공학과 교수

4. 주요연구업적
1. Seunghyup Lee, Wooseok Kim and Kijung Yong, "Overcoming the water vulnerability of electronic devices: a highly water-resistant ZnO nanodevice with multifunctionality", Advanced Materials, Vol. 23, Issue 38, 4398-4402 (2011)
2. Minsu Seol, Heejin Kim, Youngjo Tak and Kijung Yong, "Novel nanowire array based highly efficient quantum dot sensitized solar cell", Chemical communications, Issue 46, pp. 5521-5523 (2010)
3. Youngjo Tak, Sukjoon Hong, Jaesung Lee and Kijung Yong, "Fabrication of ZnO/CdS core/shell nanowire arrays for efficient solar energy conversion", Journal of Materials Chemistry, Vol. 19, No.33, 5945-5951 (2009)
4. Yunho Baek, Yoonho Song, Kijung Yong, "A novel heteronanostructure system: hierarchical W nanothorn arrays on WO3 nanowhiskers", Advanced Materials, Vol. 18, No. 13, 3105-3110 (2006)
5. Youngjo Tak, Kijung Yong, "Controlled growth of well-aligned ZnO nanorod array using a novel solution method", Journal of Physical Chemistry B, Vol. 109, No. 41, 19263-19269 (2005)

 

posted by 글쓴이 과학이야기

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