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지금까지 세계의 연구자들은 나노구조체의 기계적 물성을 평가할 수 있는 방법을 찾기 위해 다각도로 연구했지만, 물성 값 도출에 큰 오차를 보이면서 결과의 해석에 큰 이견을 나타냈습니다.

박원일 교수

장재일 교수


그런데 한양대 신소재공학부 장재일 교수와 박원일 교수가 공동 주도하고 한국과학기술연구원(KIST)의 최인석 박사가 참여한  연구에서 나노구조체의 기계적 물성을 정확히 분석하는 기술이 정립됐습니다.

이에 따라 현재보다 더욱 얇고 작으면서도 질적으로는 더 우수한 나노소자를 신뢰성 있게 설계, 생산, 구동할 수 있는 기반 기술이 확보됐습니다.

연구팀은 지금까지 보고된 연구 가운데 가장 다양한 크기 범위의 나노선에 대한 실험을 수행, 나노선의 기계적 물성을 가장 정확하게 측정할 수 있는 기술을 개발하고, 기계적 물성에 미치는 나노선의 크기 효과를 체계적으로 정립하는데 성공했습니다.

연구팀은 나노역학 시험법으로 주목받고 있는 원자힘현미경(AFM; Atomic Force Microscope) 굽힘 시험과 나노압입(Nanoindentation) 시험을 동시에 실시해 실리콘 나노선의 기계적 물성을 평가했고, 다양한 시험조건과 분석 방법을 통해 얻은 결과를 바탕으로 나노선의 기계적 물성을 가장 정확하게 측정할 수 있는 방법을 제시했습니다.

<실리콘(Si) 나노선(nanowire)의 기계적 물성 분석 절차>

(a) (왼쪽부터) 원자힘현미경 굽힘 시험을 위해 준비한 나노선 모습, 시험모식도 및 시험 후 원자힘현미경 이미지(b) (오른쪽부터)나노압입 시험을 위해 준비한 나노선 모습, 시험모식도 및 시험 후 원자힘현미경 이미지.




또 지금까지 수행된 연구 중에서 다양한 크기 범위의 나노선에 대해 실험을 수행해 최근 논란이 가열되고 있는 기계적 물성에 미치는 나노선의 크기 효과를 체계적으로 정립했습니다.

<원자힘현미경(AFM, Atomic Force Microscope) 굽힘 시험 결과>

(a) 원자힘현미경 굽힘 시험으로부터 얻은 힘(force) - 변위(displacement) 곡선이며, 삽입된 이미지는 실험 전(위)과 후(아래)의 실리콘 나노선의 모습을 나타냄.(b) 굽힘 시험에서 사용되는 세 가지 모델을 (a)의 결과에 적용하여 얻은 탄성계수(elastic modulus)와 항복강도(yield strength)를 나노선 크기에 따라 체계적으로 비교함.


<나노압입(Nanoindentation) 시험 결과> 

(a) 나노압입 시험으로부터 얻은 하중(load)-변위(displacement) 곡선이며, 삽입된 이미지는 실험 전(위)과 후(아래)의 실리콘 나노선의 모습을 나타냄.(b) 사용된 압입자의 각도의 변화에 따라 나노선 크기에 따른 탄성계수(elastic modulus)와 항복강도(yield strength)를 비교함.


이번 연구결과는 재료공학분야에서 권위 있는 학술지인 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials)' 1월호에 게재됐습니다.
(논문명 : Exploring Nanomechanical Behavior of Silicon Nanowires: AFM Bending Versus Nanoindentation)

<나노 구조체의 기계적 물성에 미치는 크기 효과 분석>
 

원자힘현미경 굽힘 시험을 이용하여 얻은 결과들을 기존 연구들과 비교하고 나노선의 크기 변화에 따른 탄성계수(왼쪽)와 항복강도(오른쪽)의 변화를 체계적으로 분석함.



 용   어   설   명

나노구조체
: 나노미터(10억분의 1m) 크기를 가지는 구조체를 가리키며, 대표적으로 0차원 나노구조체인 양자점(quantum dot), 1차원 나노구조체인 나노선(nanowire), 2차원 나노구조체인 그래핀(graphene)  등이 여기에 포함됨. 

나노구조체의 기계적 물성
: 나노구조체가 외부로부터 힘을 받았을 때 나타나는 거동 및 성질을 의미하며, 강도와 탄성 등이 이에 해당됨.

나노소자
: 나노 크기를 가지는 소재 및 구조체를 이용하고 나노기술을 통해 만든 미세  기능성 장치를 말함. 

나노선
: 일차원 나노구조체로서 단면의 지름이 수 나노미터~수십 나노미터 정도의 크기를 가지는 극미세선으로 이것을 만드는 기술은 세계를 변화시킬 신기술 가운데 하나로 꼽히며, 트랜지스터, 논리회로, 메모리, 화학감지용 센서(감지기), 레이저, 에너지 재생/저장 등 다양한 분야에 쓰임.

나노선의 크기효과
: 모든 재료는 나노크기로 작아질 때 물리적, 화학적 성질이 변하게 되는데, 기계적 물성(강도, 탄성 등) 또한 일반적인 크기의 경우와 완전히 다른 성질을 나타내게 됨.

원자힘현미경(AFM, Atomic Force Microscope) 굽힘 시험
: 원자간 힘을 이용하여 극미소 소재의 표면 정보를 구체적으로 분석할 수 있는 장비인 원자힘현미경(AFM)에 장착된 캔틸레버(cantilever)를 측면으로 이동시켜 나노선에 힘을 가하고 그때 얻어지는 굽힘의 정도로부터 나노선의 강도를 평가하는 방법임

나노선에 대한 AFM 굽힘 시험 모식도

나노압입(Nanoindentation) 시험
: 압입(indentation)시험을 이용한 소재의 강도(strength)측정 방법 중 하나로 작게는 수 나노미터(nm) 깊이까지 하중을 가하고, 이때 얻어지는 하중-변위 곡선을 해석함으로써 미소영역에 대한 기계적 물성을 쉽고 비파괴적인 방법으로 측정할 수 있음.

나노선에 대한 나노압입시험 모식도



중견연구자지원사업 내 핵심연구
: 교육과학기술부 이공분야 기초연구지원사업의 하나로서 과학기술 전 분야의 창의성 높은 개인연구 또는 공동연구를 지원하여  기초연구능력을 배양하고 우수 연구인력을 양성하는 것을 목적으로 함.

  

posted by 글쓴이 과학이야기

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‘3차원 적층형 비휘발성 유기물 저항 변화 메모리 소자’가 국내 연구진에 의해 개발되었습니다.

3차원 적층형 유기 메모리 소자 모식도



유기 저항 변화 메모리 소자(Organic Resistive memory device)는  유기 소재를 이용한 메모리 소자로서, 제조 가격이 저렴하고 제작 기술이 간단하며 또한 저온 공정과 구부러지는 플라스틱(flexible plastic) 제품에 적용할 수 있어 현재 많은 연구가 진행되고 있습니다.

비휘발성 유기 저항 변화형 메모리의 대표적인 전류-전압 (I-V) 곡선.(a)-(c) 1, 2, 3 층에서 선택된 메모리 셀에서의 대표적인 전류-전압(I-V) 곡선. 내부 그림의 빨간색은 각 층에서의 메모리 셀 위치를 나타냄.



상하부 전극사이의 유기 소재가 인가된 전압에 따라 서로 다른 두 가지의 저항상태인 고 저항 상태(High resistance state)와 저 저항 상태(Low resistance state)를 가지고, 이러한 저항 상태가 외부의 전원 없이 유지되기 때문에 차세대 비휘발성 메모리 소자의 하나로 각광받고 있습니다.


지금까지 세계의 연구자들은 실리콘 등 무기물을 활용한 비휘발성 메모리 소자의 집적화를 극대화하고자 3차원 적층구조를 연구해왔습니다.

유기물을 사용하면 제작 과정이 간단하고 비용도 저렴하면서 자유자재로 휘어지는 메모리 소자를 구현할 수 있기 때문에, 세계적인 연구팀들은 유기물을 이용한 3차원 적층형 메모리 소자 연구에 집중했는데요.

 그러나 유기물을 소재로 한 비휘발성 메모리 소자를 3차원 적층으로 공정하면, 위층 유기물 용매가 아래층으로 혼합되어 층간을 구분할 수 없어지기 때문에 고집적 적층 유기 메모리 소자를 개발하는 데에는 한계가 있었습니다.
 

이를 광주과학기술원 이탁희 교수팀이 기존의 무기물을 활용한 방법보다 공정이 간단하고 비용도 저렴한 차세대 고집적 반도체 메모리 소자를 개발한 것입니다.

이탁희 교수

송성훈 박사과정생



3차원으로 적층된 유기물 저항 변화 메모리 소자의 모식도.(a) 8 ☓ 8 크로스바 형태로 3차원 적층된 유기물 저항 변화 메모리 소자 구조 개념도. 전체 192개의 메모리 셀이(오렌지색) 제작됨. (b) 투과전자현미경을 통해 본 3차원 적층 구조의 메모리 소자 수직절단면 이미지 (c) 메모리 소자로 사용된 유기물의 분자구조식



이 교수팀은 경화(curing) 공정이 가능한 유기물 소재(폴리이미드와 버키볼 풀러린 유도체 분자)를 혼합한 유기물을 사용, 데이터 지우기와 쓰기가 가능한 3차원 적층 형태를 갖춘 유기물 비휘발성 메모리 소자를 구현했습니다.

8 ☓ 8 어레이 타입의 3차원 적층된 메모리 소자의 통계적 분석.(a) 3차원으로 적층된 메모리 삽화(left part) 및 각 층에서 동작하는 메모리 셀(빨간색)과 동작하지 않는 메모리 셀(검정색) 분포도 (right part)(b) 160개의 동작하는 메모리 셀을 바탕으로 on state 와 off state 전류값의 분포 분석 (c) 메모리 동작을 위한 각 층의 문턱전압의 분포 비교


이번 연구결과는 재료공학분야에서 권위 있는 학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼즈 (Advanced Materials)’ 제22권 제44호(2010년 11월 24일) 표지논문에 게재됐습니다.

이탁희 교수팀은 최근 2년간 하이브리드 유기 메모리 소자와 휘어지는 유기 메모리 소자 연구로, 이 학술지에 무려 네 차례나 표지논문으로 선정되는 영예를 얻었습니다.

3차원으로 적층된 각 층의 메모리 성능 평가 및 비교(a) 쓰기-읽기-지우기-읽기(Write-Read-Erase-Read) cycle 테스트. 펄스(Pulse) 형태의 전압을 연속적으로 인가하였을 때, 그에 대응하는 On/Off의 전류값 반복 사이클 곡선(b) 각 층의 메모리 셀의 DC 전압에 의한 메모리 내구성(c) 각 층의 메모리 셀의 시간에 따른 비휘발성 정보유지 능력



posted by 글쓴이 과학이야기

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