2. 실리콘소재를이용한유연메모리및집적회로소자 실리콘공정을기반으로하는반도체산업은비약적 인발전을거듭해사회전반에미치는파급효과가매우크다. 현재까지도실리콘은반도체산업의주력소자로여러분야에응용되고있다. 그러나기존의실리콘공정기반의집적회로및메모리소자기술은딱딱한실리콘또는 SOI (sil

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형욱 방
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특 / 집 / 마 / 당 웨어러블 / 플렉시블전자소재연구동향 유현균 1, 박귀일 2, 이건재 1, * 1 한국과학기술원 (KAIST), 신소재공학과, 유연및나노바이오소자연구실, 2 경남과학기술대학교, 에너지공학과 1. 서론모바일혁명이라고불리는스마트폰기술의발전은 2007년아이폰출시이후전례없는증가세를보이며크게발전해왔고이제성숙기에접어들었다.

웨어러블디바이스란 인체에착용또는부착하여컴퓨팅이가능한전기 / 전자소자로구성된모든종류의기기 를의미한다. 현재시장에서는안경, 시계등과같은액세서리형태의웨어러블제품이주류를이루고있으나, 학교와연구소를중심으로웨어러블기술의근본적인장점인착용감을극대화화면서인간에더욱더근접하여다양한기능을제공할수있는진화된형태의의복형또 는신체부착형웨어러블전자소자개발에대한연구들이활발하게진행되고있다.

1 특 / 집 / 마 / 당 웨어러블 / 플렉시블전자소재연구동향 유현균 1, 박귀일 2, 이건재 1, * 1 한국과학기술원 (KAIST), 신소재공학과, 유연및나노바이오소자연구실, 2 경남과학기술대학교, 에너지공학과 1. 서론모바일혁명이라고불리는스마트폰기술의발전은 2007년아이폰출시이후전례없는증가세를보이며크게발전해왔고이제성숙기에접어들었다. 2012년구글에서안경모양의웨어러블컴퓨터인 프로젝트글래스 를발표한이후, IT업계는스마트폰의혁신을대체할수있을것으로전망되는차세대모바일기술로플렉시블 (flexible) 또는웨어러블 (wearable) 디바이스에주목하게되었으며, 최근다양한웨어러블제품의출시를통해웨어러블디바이스시장을선점하기위한주도권경쟁이치열하게전개되고있다. 웨어러블디바이스란 인체에착용또는부착하여컴퓨팅이가능한전기 / 전자소자로구성된모든종류의기기 를의미한다. 현재시장에서는안경, 시계등과같은액세서리형태의웨어러블제품이주류를이루고있으나, 학교와연구소를중심으로웨어러블기술의근본적인장점인착용감을극대화화면서인간에더욱더근접하여다양한기능을제공할수있는진화된형태의의복형또 는신체부착형웨어러블전자소자개발에대한연구들이활발하게진행되고있다. 특히, 신체의일부에부착할수있는신체부착형웨어러블컴퓨터가실현되기위해서는유연성과신축성을가지는전자회로기술, 프로세서기술, 배터리기술, 메모리기술등전자기기동작에필수적인유연한전자소자부품기술개발이요구되며, 그중에서메모리소자및고집적반도체회로 (LSI, large scale integration) 는데이터의저장뿐만아니라, 전자기기내에서의정보처리와외부기기와의통신에필수적인부품으로써신체부착형웨어러블전자기기구현에필수적으로개발되어야한다 [1]. 현재웨어러블 / 플렉시블디바이스에적용하기위하여유연성과신축성을가지는전자소자들은실리콘, 산화물, 유기물및탄소나노튜브 / 그래핀등다양한소재들을이용하여활발하게연구가진행되고있다. 이에본리뷰논문에서는최근에개발된유연한특성을갖는비휘발성메모리및 LSI 소자연구개발동향에관해다루고자한다. 4 재료마당

2 2. 실리콘소재를이용한유연메모리및집적회로소자 실리콘공정을기반으로하는반도체산업은비약적 인발전을거듭해사회전반에미치는파급효과가매우크다. 현재까지도실리콘은반도체산업의주력소자로여러분야에응용되고있다. 그러나기존의실리콘공정기반의집적회로및메모리소자기술은딱딱한실리콘또는 SOI (silicon on insulator) 기판에서공정이이루어지며, 이로인해웨어러블 / 플렉시블디바이스용부품소재로는적합하지않았다. 특히실리콘반도체공정은도핑공정, 박막증착공정, 오믹접촉공정등에서고온공정이요구되는데, 이는플렉시블디바이스구현을위해사용되어야하는유연기판에적용이불가능하므로, 실리콘소재를이용하여유연기판에고성능의전자소자를구현하는데한계가있었다. 이러한한계점을극복하여실리콘기반의고성능유연전자소자를제작할수있는새로운방법인 transfer printing 기술이 2004년제안되었다 [2]. 이방법은소자성능이뛰어난단결정실리콘박막을습식식각 (wet etching) 공정을이용하여벌크실리콘기판으로부터직접뜯어낸후소프트리소그래피 (soft lithography) 방식을이용해유연한기판에옮기는기술이다 [2, 3]. 이기술을이용 하면고성능을위한고온처리공정 ( 도핑, 오믹접촉공정등 ) 이완료된단결정실리콘박막을유연기판에전사할수있으며이로인해뛰어난전기적성능 ( 유효이동도 > 500 cm 2 /V s) 을갖는실리콘소재를이용한유연전자소자를제작할수있었다 ( 그림 1)[2, 3]. 초기유연메모리관련연구는저항변화메모리 (resistive random access memory, RRAM) 소자를이용하여활발히연구되었는데, 이는저항변화메모리가저온공정이가능하면서간단한구조를갖는특성으로인해, 유연기판에서곧바로제작할수있었기때문이다 [4, 5]. 제작된유연저항변화메모리는다양한소재들을이용하여보고가되었지만수많은메모리셀 (memory cell) 간의간섭현상을해결하지못해사실상실용화가불가능했다 [6, 7]. 메모리구동을위해서는메모리역할을하는메모리셀과메모리상태를제어할수있는고성능선택소자를집적시켜야하지만유연기판에서는고성능의선택소자를구현하지못해완전구동가능한유연메모리개발이어려웠기때문이다. 최근에단결정실리콘박막을 transfer printing 방식으로유연기판에전사하여고성능의선택소자를구현함으로써이러한문제를해결하고자하는연구들이보고되었다 [1, 8, 9]. 그림 2는 1Transistor-1Memristor 구조의유연한메모리의모식도, 현미경사진및실제 그림 1. (a) 유연기판위에전사된단결정 μs-si 소자들의사진 (b) 전사된단결정실리콘을이용하여제작한트랜지스터의트랜스퍼곡선 (transfer curve). μs-si 소자들의유효모빌리티는 500cm 2 /V s 이상으로뛰어난전기적성능을유연한기판위에구현하였음 [2] 제 28 권제 6 호, 2015 년 11 월 5

제작된메모리소자는그림 2(c) 와같이우수한유연성을보였으며, 반복적인굽힙에의해서도소자의성능및형성에는변화가없어매우우수한기계적안정성을보였다. 이소자는기존까지개발된유연저항변화메모 리들과는달리고성능의실리콘트랜지스터를집적함으로써유연 RRAM 소자제작에중요한발판이되었다.

3 특 / 집 / 마 / 당 유연메모리사진을보여주고있다 [1]. 모든메모리셀은랜덤액세스구동 (random access operation) 을위해, 워드라인 (word line), 소스라인 (source line), 비트라인 (bit line) 을통해 NOR 구조로연결되어있다. 고성능의유연트랜지스터소자제작을위해 SOI 기판위에서고온도핑공정을완료한후, 앞서언급한것처럼소프트리소그래피방식으로도핑된실리콘박막을 PI(Polyimide) 플라스틱기판에전사한다. 이후유연기판위에서수행가능한모든후속공정을완료하여실리콘트랜지스터와 Al/a-TiO 2 /Al 구조의저항변화메모리가집적된메모리셀어레이가제작되었다 [1]. 제작된메모리소자는그림 2(c) 와같이우수한유연성을보였으며, 반복적인굽힙에의해서도소자의성능및형성에는변화가없어매우우수한기계적안정성을보였다. 이소자는기존까지개발된유연저항변화메모 리들과는달리고성능의실리콘트랜지스터를집적함으로써유연 RRAM 소자제작에중요한발판이되었다. 후속연구에서는실리콘트랜지스터에비해집적도면에서유리한실리콘다이오드를이용하여 1Diode- 1Resistor(1D-1R) 구조의저항변화메모리 [8] 및상변화메모리 (phase change memory)[9] 에관한연구들이보고가되어고성능의실리콘선택소자를이용한유연메모리제작의가능성을꾸준히제시하고있다 ( 그림 3). 그림 3. (a) 1D-1R 구조의유연저항변화메모리 [8] (b) 1D-1R 구조의유연상변화메모리 [9] 그림 2. (a) 유연한 1T-1M RRAM 의모식도와저항변화메커니즘 (b) 저항변화메모리의광학현미경사진과대응되는회로도 (c) 유연한메모리의사진과확대된사진 (d) 1T-1M 메모리셀의드레인전류 - 드레인전압특성 (e) 선택소자인트랜지스터가있을때의읽기동작 [1] 최근연구에서는 transfer printing 방식의단점을보완하여벌크실리콘기판에서전자소자제작에필요한모든반도체공정을완료한후제작된전체실리콘소자를유연기판에전사하고자하는시도들이이루어지고있다 [10, 11]. 대표적으로는실리콘또는 SOI wafer의뒷면을화학적기계적연마 (CMP, chemical mechanical polishing) 공정또는식각공정을이용하여얇아진실리콘칩을유연기판에전사하는방식 [10] 과니켈막이벌크실리콘기판위에형성되었을때유도되는기계적인응력현상을이용하여대면적으로실리콘소자를박리하여전사하는방식이있다 [11]. 이러한공법들은제작공정이완료된대면적실리콘소자를효과적으로벌크실리콘기판에서유연기판으로전사할수있다는장점을가지고있다. 그림 4는생체삽입형유연 RFICs(radio frequency integrated circuit) 6 재료마당

또한이소자를신경보철기와같은 bio-integrated electronics 에적용하기위해생체친화적인 liquid crystal polymer(lcp) 을이용하여패키징공정을수행하고쥐의생체내에이식하였으며, 6주간의실험에서안정적인소자의구동을보고하였다 [10].

4 그림 4. (a) 유연 RFICs 의제작공정모식도 (b) 유연 RFICs 의광학현미경이미지 (c) 유연 RFICs 의실제소자사진 [10] 소자의제작공정모식도및실제소자사진을보여주고있다 [10]. 유연 RFICs 소자의제작을위해, SOI 기판위에반도체회로를제작한후뒷면의 handle 기판을습식식각방식으로제거하는방법을이용하여약천개의트랜지스터로구성된고집적유연 RFICs 어레이를제작할수있었다. 이실험에서는 SOI 기판위에서와유연기판으로전사한후에소자의전기적특성평가를진행하였으며, 측정결과전사전과후에전기적특성에거의변화가없음을확인하였다. 또한이소자를신경보철기와같은 bio-integrated electronics 에적용하기위해생체친화적인 liquid crystal polymer(lcp) 을이용하여패키징공정을수행하고쥐의생체내에이식하였으며, 6주간의실험에서안정적인소자의구동을보고하였다 [10]. 그림 5는대면적유연 SRAM(static random access memory) 의제조공정을나타내는모식도및실제소자사진을보여주고있다 [11]. 이실험에서는기계적박리를위해 SOI 기판을사용하였고, 기판위에니켈막을증착하여니켈층 그림 5. (a) 니켈을이용한기계적박리공정의모식도 (b) 실리콘소자의 TEM (transmission electron microscopy) 단면도 (c) 유연한실리콘소자의사진 (d) 유연 SRAM 소자의전기적특성 (e) 유연 SRAM 소자의구부림테스트사진및전기적특성 [11] 의잔류응력때문에발생되는인장응력과기판에서작용하는압축응력간의불균형에의해유도되는실리콘박막박리현상을이용하였다 [11]. 이를통해유연기판 제 28 권제 6 호, 2015 년 11 월 7

5 특 / 집 / 마 / 당 그림 6. 산화물소재를이용하여제작된유연저항변화메모리의전류 - 전압특성 (a) Al/AlO x /Al 구조의메모리셀 [15] (b) Al/ a-tio 2 /Al 구조의메모리셀 [16] (c) Ni/GeO/HfON/TaN 구조의메모리셀 [17] (d) graphene/sio x /graphene 구조의투명한메모리셀 [18] 에전사된 SRAM의메모리특성을확인하였으며구부림반경 (bedning radius) 이 6.3 mm 에서도소자성능의하락없이유지되는우수한유연성을보고하였다 [11]. 이러한대면적의전체실리콘전사방식들은현재의실리콘공정을기반으로하는반도체공정을그대로이용하여실리콘전자소자를제작한후완성된실리콘칩을대면적으로옮길수있으므로, 이를통해다양한실리콘기반의웨어러블 / 플렉시블전자소자시스템제작에적용될수있는가능성을제시하고있다 [10, 11]. 2. 산화물소재를이용한유연메모리소자앞서언급한바와같이, 유연메모리로써저항변화메모리가가장주목받고있다. 1960년대부터연구되어온저항변화메모리는매우다양한소재들을이용하여저항변화현상이보고되었으며, 그중에서산화물 소재를이용한금속-절연체-금속 (metal-insulatormetal) 구조의저항변화메모리소자가대표적이라고할수있다 [12]. 특히, 산화물소재를이용한저항변화메모리소자는유연메모리로의적용에적합한데, 이는산화물소재의근본적인장점인저온공정과 3차원적층구조에용이한특성으로인하여고집적유연메모리구현에매우유리하기때문이다 [13, 14]. 유연저항변화메모리소자제작을위해현재까지보고된산화물소재는매우다양한데, 대표적으로는 AlO x [15], a-tio 2 [16], GeO/HfON[17], SiO x [18] 가있다. 그림 6(a) 는 Al/AlO x /Al 구조의유연저항변화메모리의전류-전압곡선을나타내고있다 [16]. 전압의극성에관계없이저항변화현상이나타나는단극성 (unipolar) 특성 [12] 을보이고있으며하부전극인 Al을증착한후, Al을 seed 물질로이용한플라즈마옥시데이션 (plasma oxidation) 공정으로저 8 재료마당

그림 7. (a) 1S-1R 구조의저항변화메모리소자의레이저리프트오프공정모식도 (b) 1S-1R 구조의유연저항변화메모리소자의사진 (c) 1S-1R 구조의유연저항변화메모리소자의전기적특성 [20] 항변화물질인AlO x 를형성하였다 [8, 15]. 모든공정은 PES(Polyethersulfone) 기판에서진행하여유연한특성을갖는저항변화메모리소자를구현할수있었다.

6 그림 7. (a) 1S-1R 구조의저항변화메모리소자의레이저리프트오프공정모식도 (b) 1S-1R 구조의유연저항변화메모리소자의사진 (c) 1S-1R 구조의유연저항변화메모리소자의전기적특성 [20] 항변화물질인AlO x 를형성하였다 [8, 15]. 모든공정은 PES(Polyethersulfone) 기판에서진행하여유연한특성을갖는저항변화메모리소자를구현할수있었다. 그림 6b는 Al/a-TiO 2 /Al 구조의유연저항변화메모리의전류-전압곡선이다 [16]. 앞서언급한 AlO x 메모리와는달리저항변화현상이하나의극성이아닌서로반대의극성에서원하는저항상태로변화가이루어지는양극성 (bipolar) 특성 [12] 을보이며, PEALD(plasma enhanced atomic layer deposition) 방식으로저온에서 a-tio 2 물질을증착하여유연메모리를제작할수있었다. 그림 6c는 PI 기판위에 Ni/ GeO/HfON/TaN 구조를형성하여제작한양극성유연저항변화메모리의특성을보여주고있다 [17]. 마지막으로, 그림 6d는투명하고유연한 fluoropolymer 기판에 graphene/sio x /graphene 구조의투명한메모리소자를적용하여유연한특성을갖는투명저항 변화메모리를제작할수있는가능성을제시하였다 [18]. 그림 6에서언급된연구결과들은다양한산화물소재를이용하여유연메모리를구현하였지만선택소자없이메모리구동이유연기판에서가능함을증명하는수준에그치고있다. 앞서설명한것처럼, 메모리구동을위해서는메모리역할을하는메모리셀과메모리상태를제어할수있는고성능선택소자를집적시켜야한다 [13, 14, 19]. 산화물반도체를선택소자로이용한크로스바 (crossbar) 형태의 1Diode-1Resistor(1D- 1R)[13, 14] 또는 1Selector-1Resistor(1S-1R)[19] 구조의저항변화메모리를실리콘또는유리기판에제작한선행연구들이있었지만유연기판은선택소자제작공정과정에서신뢰성에부정적인영향을미치는표면거칠기 (surface roughness), 흡습성및열적특성이유리나실리콘기판과는달리선택소자제작공정에 제 28 권제 6 호, 2015 년 11 월 9

7 특 / 집 / 마 / 당 적합하지않으므로고성능의산화물반도체기반선택소자를집적하는데에어려움이따르고있었다. 최근연구에서는이를극복할수있는대안으로 1S-1R 구조의메모리를산화물소재를이용하여유리기판에제작한후, 메모리소자를유연기판에옮기는 Inorganic Laser lift-off(illo) 공법을엑시머 (excimer) 레이저를통해적용하여완전구동가능한유연메모리소자구현의가능성을보여주었다 [20]. 이로인해기존의유연기판에서의산화물반도체소재를이용한선택소자제작의어려움을해결할수있었다. 그림 7(a) 는 ILLO 를사용한유연저항변화메모리소자의제작공정과정을나타낸다 [20]. ILLO 공법으로유리기판으로부터메모리층을분리하기위해서레이저반응물질인 a-si을 PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition) 방식으로유리기판에메모리소자를제작하기에앞서증착하였다. ILLO공법은 a-si에수소가포함되어있을때레이저의에너지로인해실리콘이녹고이로인해수소가분리되어빠져나오면서유리기판과분리되는현상을이용한방법이다 [20]. 그림 7(b) 는유연기판에전사된 1S-1R 구조의메모리소자사진을보여주고있다. Ni/TiO 2 /Ni 구조의쇼트키방출선택소자 (schottky emission selector) 와 Ni/NiO x /Pt 구조의저항변화메모리를집적시켜 1S-1R 크로스바구조의저항변화메모리를제작하였다 [20]. 그림 7(c) 는제작된유연메모리의전류-전압곡선특성을나타내고있으며, 선택소자로인해셀간의간섭문제를해결할수있음을증명하였다. 이연구는산화물기반의선택소자가집적된대면적의저항변화메모리의제작을위해 ILLO 공법이적용되었다는것이주목할만하며, 더나아가유리기판에서제작이가능한다양한무기물기반의고성능전자소자들에응용하여웨어러블 / 플렉시블전자소자시스템구현에적용할수있을것으로예상된다. 3. 유기소재를이용한유연메모리소자 유기소재를이용한유연전자소자에대한연구는오래전부터활발하게진행되고있다. 실리콘혹은산화물기반의기존전자소자들과비교했을때성능면에서상당한격차를보이고있지만, 유기소재를이용한전자소자는제조가격이저렴하고제작기술이간단하며, 저온공정과유기소재의장점인휘어지는특성으로인해유연기판에적용할수있는장점이있어많은관심을받고있다 [21, 22]. 유기소재를이용한다른전자소자들과더불어유기또는고분자소재기반의비휘발성메모리소자는차세대전자소자의한구성요소로서매우큰기대를모으고있는분야이다 [23]. 유기소재기반의유연비휘발성메모리소자로서연구되고있는대표적인차세대메모리소자는저항변화메모리 [23, 24], 플래시메모리 [25], 그리고강유전체메모리 (ferroelectric memory)[26] 등이있다. 그림8은유기소재를이용한휘어지는환경에서저항변화메모리동작을보여주는유연메모리를보여주고있다 [23]. 유연메모리제작을위해 PET기판위에하부전극을형성하고그위에 PI와 PCBM(6- 그림 8. (a) 유연유기메모리소자의모식도 (b) 유연유기메모리소자의 TEM 단면도 (c) 유연유기메모리소자의그림단면도 (d) 유연유기메모리소자의전류 - 전압특성 [23] 10 재료마당

그림 9. (a) 1D-1R 구조의유연유기메모리소자의모식도및실제소자사진 (b) 유기 1R 의전류 - 전압특성 (c) 유연 1D 의전류 - 전압특성 (d) 유연 1D-1R 의전류 - 전압특성 [24] phenyl-c61 butyric acid methyl ester) 분자를혼합한유기물질을스핀코팅한후최종적으로상부전극을증착하여유연저항변화메모리를완성하였다

8 그림 9. (a) 1D-1R 구조의유연유기메모리소자의모식도및실제소자사진 (b) 유기 1R 의전류 - 전압특성 (c) 유연 1D 의전류 - 전압특성 (d) 유연 1D-1R 의전류 - 전압특성 [24] phenyl-c61 butyric acid methyl ester) 분자를혼합한유기물질을스핀코팅한후최종적으로상부전극을증착하여유연저항변화메모리를완성하였다 [23]. 이후특성평가를통해휘어지는환경에서도안정적으로메모리소자가동작함을확인하였다. 이연구에서는비록선택소자를집적시킨완전한구조의유기메모리소자를완성하지는못했지만, 유기소재를이용하여저항변화형유기유연메모리의구현가능성을제시했다는데에의미가있다. 앞서언급한휘어지는특성의유기저항변화메모리를제작하는것이외에셀간의간섭문제를해결하기위해, 최근에는유기소재기반의다이오드를선택소자로집적시킨 1D-1R 구조의유연저항변화메모리가보고되었다 ( 그림9)[24]. 기존유기메모리소자의대표적인공정인스핀코팅과정에서연속적인공 정수행시, 메모리소자층혹은선택소자층이손상되는문제점이있었다. 이연구에서는이러한문제점을해결하기위해저온공정에서패턴을만들수있는크로스링커 (crosslinker) 제작방법을활용하였다. 크로스링커방식은연속적인층을만드는공정에서유기메모리층과유기선택소자층이서로손상을입지않는공법이며 [24, 27], 이로인해유기소재를이용하여 1D-1R 구조의유연저항변화메모리소자를제작할수있었다. 그림9에서볼수있듯이 P3HT(poly(3- hexylthiophene)) 소재를이용한유기다이오드와 PS(polystyrene) 물질과 PCBM(6-phenyl-C61 butyric acid methyl ester) 분자를혼합한유기물질기반으로한유기메모리소자를이용하였다 [24]. 소자의특성평가를통해, 다이오드의한방향으로전류를흐르게하는정류특성으로인접한메모리셀간의간섭 제 28 권제 6 호, 2015 년 11 월 11

특 / 집 / 마 / 당 그림 10. (a) 유연유기플래시메모리소자의모식도 (b) 유연유기플래시메모리소자의사진 (c) 유연유기플래시메모리소자의전류 - 전압특성 [25] 현상을제어할수있음을증명하였다. 유기소재기반의유연비휘발성메모리중에서현 재주목받는대표적인메모리소자중하나는플래시메모리이다 [21, 25, 28].

플래시메모리동작을위해, PES 기판위에유기트랜지스터소자를구현하고, blocking oxide 층과 tunneling oxide 층은 crosslinked PVP(polyvinylpyrrolidone) 층을이용하였고정보저장층은전하를저장하는능력이뛰어난금나노입자를적용하였다 [25].

9 특 / 집 / 마 / 당 그림 10. (a) 유연유기플래시메모리소자의모식도 (b) 유연유기플래시메모리소자의사진 (c) 유연유기플래시메모리소자의전류 - 전압특성 [25] 현상을제어할수있음을증명하였다. 유기소재기반의유연비휘발성메모리중에서현 재주목받는대표적인메모리소자중하나는플래시메모리이다 [21, 25, 28]. 플래시메모리는현재가장많이사용되는비휘발성메모리로전통적으로플로팅게이트 (floating gate) 라고불리는박막층에전하를저장하거나제거하는것이가능한데, 이러한전 하저장유무에따라유도되는문턱전압의변화현상을이용한메모리소자이다. 그림 10은유기소재를이용하여제작된유연플래시메모리구조의모식도및사진을보여주고있다 [25]. 플래시메모리동작을위해, PES 기판위에유기트랜지스터소자를구현하고, blocking oxide 층과 tunneling oxide 층은 crosslinked PVP(polyvinylpyrrolidone) 층을이용하였고정보저장층은전하를저장하는능력이뛰어난금나노입자를적용하였다 [25]. 이렇게제조된유연플래시메모리는쉽게휘고접을수있는형태의메모리소자라는큰장점이있고, 실제로 1000회이상반복적으로휘거나구부려도저장된정보가소실되지않는특성을보고하였다. 유연메모리소자구현을위해유기소재를강유전체메모리소자의절연막으로사용하여유연강유전체메모리소자를개발하고자하는연구가활발히진행되고있다 [26]. 차세대비휘발성메모리중하나인강유전체메모리는강유전체를절연막으로사용하여여기 그림 11. (a) 유연유기강유전체메모리소자의모식도및사진 (b) 유연유기강유전체메모리소자의전류 - 전압특성 (c) 유연유기강유전체메모리의멀티레벨특성 [26] 12 재료마당

10 에게이트전압을인가, 분극의방향을제어함으로써정보를저장할수있는메모리소자이다 [26]. 그림 11 는유기소재를이용한강유전체메모리의모식도및전기적인특성을나타내고있다 [26]. 우수한잔류분극특성을위해강유전성을가지는고분자인 PVDF- TrFE(poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene)) 를이용하였고트랜지스터의채널로사용되는고분자반도체로는 P3HT(poly(3-hexylthiophene)) 를적용하였다 [26]. 이연구는지금까지연구된유연강유전성메모리와는달리전압의크기를변화시킴으로써강유전체고분자의분극을부분적으로제어할수있다는사실을통해멀티레벨 (multilevel) 특성을갖는유연강유전체메모리개발에접근할수있는계기를마련하였다는데큰의의가있다. 을보고하였다 [33]. 유연기판에서용액공정을적용하여제작된탄소나노튜브복합물질기반의유연메모리소자는멀티레벨동작이가능하면서유연한특성을보이므로, 고집적유연메모리제작가능성을제시하고있다. 4. 탄소나노튜브 / 그래핀을이용한유연메모리소자 탄소기반나노소재의등장이후, 매우큰발전을이루고있는분야중하나는탄소나노튜브또는그래핀소재기반의전자소자의제작에관한연구분야이다 [29]. 특히탄소나노튜브와그래핀은뛰어난유연성및우수한전기적특성으로인해다양한유연전자소자제작을위한연구가활발하게이루어지고있으며 [30, 31] 최근에는유연메모리소자에서메모리동작소재로사용한연구가보고되고있다.[32-34] 그림 12(a) 는탄소나노튜브소재를용액공정 (solution process) 를통해저항변화물질로적용하여제작된유연저항변화메모리의제작과정모식도를보여주고있다 [33]. PS 물질과붕소및질소도핑된탄소나노튜브의복합물질을이용함으로써전하저장레벨 (charge trap level) 을제어할수있는특성을통해유연메모리소자의구현이가능했으며또한, 그림 12(d) 에서볼수있듯이, 이를통해멀티레벨동작도가능함 그림 12. (a) 탄소나노튜브소재를이용한유연저항변화메모리소자의제작과정의모식도 (b) 탄소나노튜브소재를이용한저항변화메모리의단면도 (c) 탄소나노튜브소재를이용한유연저항변화메모리의전류 - 전압특성 (d) 탄소나노튜브소재를이용한유연저항변화메모리의멀티레벨동작특성 [33] 그래핀물질은뛰어난재료적유연성을가지고있을뿐만아니라투명한광학적성질을가지고있어투명한기판및전극물질과함께소자제작이이루어진다면유연투명메모리개발에이용될수있다 [35, 36]. 그림 13는최근에보고된투명한유연전하트랩 (charge trap) 방식의메모리의제조공정모식도및광학적, 전기적특성들을나타내고있다 [34]. 이메모리소자에서그래핀물질은전하저장층으로사용하였으며, 가시광선영역에서 80% 이상의우수한투과도특성을보이는유연메모리를개발하였다 [34]. 투명한유연메모리소자는투명전자기기및웨어러블 / 플렉시블전자기기개발에반드시필요하므로, 이러한차세대전자기기개발에크게기여할것으로전망된다. 제 28 권제 6 호, 2015 년 11 월 13

특 / 집 / 마 / 당 요할것으로판단된다. 이를위해서유연메모리및집적회로소자의소재및소자구조에따라달라지는기계적, 열적, 광학적, 전기적특성에대한성능향상에관한연구와함께, 현재의메모리및집적회로소자의소재를충분히활용하면서웨어러블전자기기구동에서고려해야할외부환경변화에따른소자성능유지를위한웨어러블 / 플렉시블전자패키징기술에대한연구역시동시에이루어져야할것으로전망된다. 6.

11 특 / 집 / 마 / 당 요할것으로판단된다. 이를위해서유연메모리및집적회로소자의소재및소자구조에따라달라지는기계적, 열적, 광학적, 전기적특성에대한성능향상에관한연구와함께, 현재의메모리및집적회로소자의소재를충분히활용하면서웨어러블전자기기구동에서고려해야할외부환경변화에따른소자성능유지를위한웨어러블 / 플렉시블전자패키징기술에대한연구역시동시에이루어져야할것으로전망된다. 6. 참고문헌 그림 13. (a) 전하트랩메모리의제작과정을나타내는모식도및메모리소자단면도 (b) 유연메모리의광학적특성 (c) 유연메모리의전기적특성 [34] 5. 맺음말 현재까지보고된실리콘, 산화물, 유기물및탄소나노튜브 / 그래핀소재기반의유연메모리및집적회로소자의연구개발동향에대해서알아보았다. 웨어러블 / 플렉시블전자기기에실제로적용할수있는상용화가능수준의유연메모리및집적회로소자제작을위해서는아직해결해야할과제가많이남아있지만, 투명하거나유연한기판위에일정집적도이상의메모리및집적회로소자를구현할수있는공정요소기술이개발되고있다는측면에서유연전자소자의발전가능성은무궁무진하다. 웨어러블전자기기를구현하기위해서는전자소자의소형화, 저전력구동이필수적일뿐만아니라웨어러블전자기기에구동에서고려해야할외부환경변화에부합하는기계적특성 ( 다양한방향으로휘어지거나늘어나는상황 ), 열적특성 ( 신체의온도변화 ), 광학적특성 ( 투명전자소자 ) 등웨어러블전자기기에적합한전자소재를개발하는것이매우중 1. S. Kim, H. Y. Jeong, S. K. Kim, S. Y. Choi and K. J. Lee, Nano Lett. 11, 5438 (2011). 2. E. Menard, K. J. Lee, D. Y. Khang, R. G. Nuzzo and J. A. Rogers, Appl. Phys. Lett. 84, 5398 (2004). 3. K. J. Lee, M. A. Meitl, J. H. Ahn, J. A. Rogers, R. G. Nuzzo, V. Kumar and I. Adesida, J. Appl. Phys. 100, (2006). 4. M. J. Lee, C. B. Lee, D. Lee, S. R. Lee, M. Chang, J. H. Hur, Y. B. Kim, C. J. Kim, D. H. Seo, S. Seo, U. I. Chung, I. K. Yoo and K. Kim, Nat. Mater. 10, 625 (2011). 5. K. H. Kim, S. Gaba, D. Wheeler, J. M. Cruz-Albrecht, T. Hussain, N. Srinivasa and W. Lu, Nano Lett. 12, 389 (2012). 6. G. H. Kim, J. H. Lee, Y. Ahn, W. Jeon, S. J. Song, J. Y. Seok, J. H. Yoon, K. J. Yoon, T. J. Park and C. S. Hwang, Adv. Funct. Mater. 23, 1440 (2013). 7. E. Linn, R. Rosezin, C. Kugeler and R. Waser, Nat. Mater. 9, 403 (2010). 8. H. G. Yoo, S. Kim and K. J. Lee, RSC Adv. 4, (2014). 9. B. H. Mun, B. K. You, S. R. Yang, H. G. Yoo, J. M. Kim, W. I. Park, Y. Yin, M. Byun, Y. S. Jung and K. J. Lee, Acs Nano 9, 4120 (2015). 14 재료마당

12 10. G. T. Hwang, D. Im, S. E. Lee, J. Lee, M. Koo, S. Y. Park, S. Kim, K. Yang, S. J. Kim, K. Lee and K. J. Lee, Acs Nano 7, 4545 (2013). 11. D. Shahrjerdi and S. W. Bedell, Nano Lett. 13, 315 (2013). 12. H. S. P. Wong, H. Y. Lee, S. M. Yu, Y. S. Chen, Y. Wu, P. S. Chen, B. Lee, F. T. Chen and M. J. Tsai, Proc. IEEE 100, 1951 (2012). 13. J. W. Seo, S. J. Baik, S. J. Kang, Y. H. Hong, J. H. Yang and K. S. Lim, Appl. Phys. Lett. 98, (2011). 14. M. J. Lee, S. Seo, D. C. Kim, S. E. Ahn, D. H. Seo, I. K. Yoo, I. G. Baek, D. S. Kim, I. S. Byun, S. H. Kim, I. R. Hwang, J. S. Kim, S. H. Jeon and B. H. Park, Adv. Mater. 19, 73 (2007). 15. S. Kim and Y. K. Choi, Appl. Phys. Lett. 92, (2008). 16. H. Y. Jeong, Y. I. Kim, J. Y. Lee and S. Y. Choi, Nanotechnology 21, (2010). 17. C. H. Cheng, F. S. Yeh and A. Chin, Adv. Mater. 23, 902 (2011). 18. J. Yao, J. Lin, Y. H. Dai, G. D. Ruan, Z. Yan, L. Li, L. Zhong, D. Natelson and J. M. Tour, Nat. Commun. 3, 1101 (2012). 19. W. Lee, J. Park, S. Kim, J. Woo, J. Shin, G. Choi, S. Park, D. Lee, E. Cha, B. H. Lee and H. Hwang, Acs Nano 6, 8166 (2012). 20. S. Kim, J. H. Son, S. H. Lee, B. K. You, K. I. Park, H. K. Lee, M. Byun and K. J. Lee, Adv. Mater. 26, 7480 (2014). 21. T. Sekitani, T. Yokota, U. Zschieschang, H. Klauk, S. Bauer, K. Takeuchi, M. Takamiya, T. Sakurai and T. Someya, Science 326, 1516 (2009). 22. T. Sekitani, U. Zschieschang, H. Klauk and T. Someya, Nat. Mater. 9, 1015 (2010). 23. Y. Ji, B. Cho, S. Song, T. W. Kim, M. Choe, Y. H. Kahng and T. Lee, Adv. Mater. 22, 3071 (2010). 24. Y. Ji, D. F. Zeigler, D. S. Lee, H. Choi, A. K. Y. Jen, H. C. Ko and T. W. Kim, Nat. Commun. 4, 2707 (2013). 25. S. J. Kim and J. S. Lee, Nano Lett. 10, 2884 (2010). 26. S. K. Hwang, I. Bae, R. H. Kim and C. Park, Adv. Mater. 24, 5910 (2012). 27. T. W. Kim, D. F. Zeigler, O. Acton, H. L. Yip, H. Ma and A. K. Y. Jen, Adv. Mater. 24, 828 (2012). 28. K. J. Baeg, D. Khim, J. Kim, B. D. Yang, M. Kang, S. W. Jung, I. K. You, D. Y. Kim and Y. Y. Noh, Adv. Funct. Mater. 22, 2915 (2012). 29. P. Avouris, Z. H. Chen and V. Perebeinos, Nat. Nanotechnol. 2, 605 (2007). 30. I. Lahiri, V. P. Verma and W. Choi, Carbon 49, 1614 (2011). 31. S. Park, M. Vosguerichian and Z. A. Bao, Nanoscale 5, 1727 (2013). 32. H. Y. Jeong, J. Y. Kim, J. W. Kim, J. O. Hwang, J. E. Kim, J. Y. Lee, T. H. Yoon, B. J. Cho, S. O. Kim, R. S. Ruoff and S. Y. Choi, Nano Lett. 10, 4381 (2010). 33. S. K. Hwang, J. M. Lee, S. Kim, J. S. Park, H. I. Park, C. W. Ahn, K. J. Lee, T. Lee and S. O. Kim, Nano Lett. 12, 2217 (2012). 34. S. M. Kim, E. B. Song, S. Lee, J. F. Zhu, D. H. Seo, M. Mecklenburg, S. Seo and K. L. Wang, Acs Nano 6, 7879 (2012). 35. K. S. Kim, Y. Zhao, H. Jang, S. Y. Lee, J. M. Kim, K. S. Kim, J. H. Ahn, P. Kim, J. Y. Choi and B. H. Hong, Nature 457, 706 (2009). 36. S. P. Pang, Y. Hernandez, X. L. Feng and K. Mullen, Adv. Mater. 23, 2779 (2011). 제 28 권제 6 호, 2015 년 11 월 15

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jaeryomading review.pdf 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 1. S. Kim, H. Y. Jeong, S. K. Kim, S. Y. Choi and K. J. Lee, Nano Lett. 11, 5438 (2011). 2. E. Menard, K. J. Lee, D. Y. Khang, R. G. Nuzzo and J. A. Rogers, Appl. Phys. Lett. 84,