테크 노트  KAIST 최양규 연구팀, 실 엮어 저장ㆍ연산기능하는 전자소자 개발



실을 엮는 것만으로 저장 및 연산 기능을 갖춘 소자를 만드는 기술이 개발됐다. 옷이 스스로 소자 역할을 하는 신개념 웨어러블 기기 구현이 가능해졌다.

KAIST(총장 신성철)는 최양규?최성율 전기 및 전자공학부 교수팀이 특수 코팅한 실을 직조해 멤리스터(Memristor) 소자 기반 논리회로를 구성하는 기술을 개발했다. 이번 연구는 KAIST 배학열 장병철 박사가 공동 1저자로 참여했다.

멤리스터는 메모리(memory)와 저항(resistor)의 합성어다. 전류가 흐를 때 생기는 저항을 이용한 비휘발성 메모리다. 전원이 꺼져도 이전에 통과한 전류의 방향, 양을 기억해 전원 공급 재개 후 저장 내용을 되살릴 수 있다.

멤리스터 소자는 보통 기판에 금속 전극과 전이금속 산화막 저항층을 형성하고 다시 금속 전극을 얹는 구조다. 반면에 연구팀은 씨줄과 날줄로 이뤄진 실 직조 구조를 이용해 멤리스터 소자를 구현했다. 알루미늄을 코팅한 실에 기상증착법으로 고분자 폴리머를 코팅해 기존 구조를 대체했다. 알루미늄이 전극 역할을 하고, 씨줄과 날줄 사이의 고분자가 저항층으로 작용한다. 임성갑 생명화학공학과 교수가 개발한 ‘고분자 기반 저항층 박막 형성 기술’로 직조형 회로를 제작했다.

연산기능 갖춘 ‘논리회로’ 구성

연구팀은 이 소자에 추가로 연산기능을 갖춘 ‘논리회로’를 구성하는 것도 성공했다.

논리회로의 경우 두 개의 입력 창구에 흐르는 전류 신호를 0과 1의 이진법 신호로 활용해 연산하는데, 씨줄?날줄의 접촉 위치에 각기 다른 양의 전류를 흘려 유연한 중앙처리장치(CPU)를 구현했다. 연구팀은 직조 면적으로 저장 및 연상능력을 확대할 수 있다고 설명했다. 특정 실을 연결하거나 끊어 기능을 세부 조정하는 것도 가능하다.

앞으로는 이 기술로 의류형 CPU나 스마트폰 중앙처리장치(AP)를 만들어 ‘스마트 헬스 의복’에 적용할 계획이다.

최양규 교수는 “이번 연구는 진정한 의미의 의류형 회로 구현을 가능하게 한 것”이라면서 “누설 전류를 막는 선택소자도 함께 직조해 기술 완성도를 높이겠다”고 말했다.

어떻게 만들었나

최근에는 인간친화적이고 딱딱한 형태의 하드웨어를 의복과 같이 휠 수 있고, 가벼운 전자소자들로 대체하려는 연구들이 섬유를 기반으로 빠르게 발전하고 있다. 그에 따라 섬유자체를 이용한 전자소자의 구현에 관한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.

이 연구에서는 실제 의류를 제작하는 데 사용되는 면섬유를 기판으로 사용하여 처음으로 대면적 직물형 메모리 소자 및 로직 컴퓨팅 회로를 구현하였다. 먼저, 섬유 위에 액상 금속인 알루미늄을 코팅하고, 개시제를 이요한 화학 기상 증착 고분자 박막증착법으로 절연막을 형성하였다.

금속과 절연막은 수십나노의 두께로 얇게 증착하여 높은 유연성을 갖는다. 이렇게 코팅된 섬유를 그림 1과 같이 격자 형태로 구성하여 '금속-절연막-금속' 형태를 만들어 2단자 저항변화 메모리(resistive random access memory, RRAM)를 제작하였다.

최근에는 메모리 소자의 미세화가 한계에 이름에 따라 기존 3단자 트랜지스터 구조의 메모리를 대체하여 2단자 기반의 고집적도, 낮은 제작 비용, 간단한 제작 공정, 우수한 휘어짐 특성을 갖는 RRAM연구가 활발히 이루어지고 있다.

코팅된 실의 교차점이 하나의 메모리 cell을 이루게 되고, 아무 처리하지 않은 섬유을 각 격자 사이에 삽입함으로써 각 메모리 cell을 격리하여 모든 cell이 전기적으로 단락되는 것을 방지하였다.

또한, 그림 2와 같이 이러한 구조를 이용하여 단일 메모리 소자 뿐만 아니라, 직물형 로직 회로를 처음으로 구현하였다. 본 연구에 적용된 RRAM은 멤리스터 회로 구현의 최적화된 소자라서 개별 소자를 조합하여 로직 회로를 구동할 수 있다.

그림 2와 같이 2개에서 많게는 6개의 멤리스터를 조합하여 NOR, NOT, AND, OR, NAND, Half Adder 등을 구현하였으며, 다양한 조합으로 더 많은 로직 회로를 구성하는 것이 가능하다.

이러한 멤리스터 소자 기반의 로직 회로는 기본적으로 비휘발성 메모리 기반의 멤리스터 소자를 이용하기 때문에 한 번 저장된 데이터가 오랜시간동안 지워지지 않고 유지된다.

따라서 웨어러블 전자 기기의 배터리 소모를 최소화하기 위하여 기존 폰노이만 컴퓨팅 방식의 한계를 극복함과 동시에 대기전력(static power) 소모를 0W에 가깝게 하여, 저전력 웨어러블 소자로써 응용가치가 매우 클 것으로 기대된다