그래핀 양자점이 삽입된 제인 활성층을 기반으로 하는 자가 치유가 가능한 멤리스터 소자

Abstract

무어의 법칙(Moore’s Law)으로 대표되는 반도체 산업의 폭발적인 성장은 지난 20세기 후반부터 지금까지 정보통신기술의 혁신을 이끌어왔다. DRAM과 NAND Flash와 같이 정보를 저장하는 메모리 반도체 또한 이러한 흐름 속에서 비약적으로 발전해왔다. 하지만 4차 산업혁명이 도래하고 인공지능, 클라우드 컴퓨팅, 자율주행, 빅 데이터, 사물 인터넷이 발전하면서 이전과는 비교할 수 없을 정도로 방대한 데이터를 저장하고 처리하는 기술이 요구되고 있다. 그리고 기존 실리콘 기반의 반도체는 미세공정상의 문제와 소자 구조로 인해 더 이상 집적화가 어려운 상황에 놓여있다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 처리 속도가 빠르며 집적도가 높고 공정 과정이 단순한 차세대 메모리 반도체에 대한 연구가 지속되고 있다. FeRAM (Ferroelectric RAM), PRAM (Phase change RAM), ReRAM (Resistive RAM), MRAM (Magnetic RAM), PoRAM (Polymer RAM) 등이 이에 해당된다. 또한 이러한 소자를 응용하여 만든 뉴로모픽 (Neuromorphic) 반도체는 인간의 뇌 신경을 모방하여 연산과 저장을 동시에 수행하며 정보의 처리 속도가 기존의 실리콘 반도체보다 월등히 빨라 학계의 많은 관심과 주목을 받고 있다. 본 연구는 옥수수 추출 고분자 제인과 그래핀 양자점을 혼합한 나노복합체를 활성층으로 하는 자가 치유가 가능한 멤리스터 소자를 제시한다. Ag/zein-GQD/ITO 구조를 갖는 ReRAM 기반의 멤리스터 소자를 스핀 코팅과 열 증착 공정으로 제작하였으며 102의 On/Off ratio를 갖는 메모리 스위칭과 인간의 뇌 신경을 모방하는 시냅스 특성인 Potentiation & Depression, Short term memory to Long term memory (STM to LTM), Paired Pulses Facilitation (PPF)을 확인하였다. 또한 그래핀 양자점의 염소 작용기와 제인 사이의 수소결합을 기반으로 하여 소자에 열이 가해지면 활성층의 물리적 손상으로 인한 소자의 전기적 특성 저하를 회복하는 자가 치유 특성도 확인하였다. 이 연구에서 제작된 소자는 폰 노이만 (Von Neumann) 구조의 병목현상을 해결하는 시냅스 특성을 구현하였을 뿐만 아니라 자가 치유 특성을 통해 내부의 반복적인 기계적 접힘과 외부의 충격에 취약한 웨어러블, 폴더블 디바이스에도 적용될 수 있다는 가능성을 시사한다는 점에서 의의가 크다.