[논문]비휘발성 메모리 메타물질

김우영; 박남규; 김튼튼; 김현돈; 민범기

비휘발성 메모리 메타물질 원문보기

전기전자재료 = Bulletin of the Korean institute of electrical and electronic material engineers, v.30 no.3, 2017년, pp.17 - 24

김우영 (제주대학교 전자공학과) , 박남규 (서울대학교 전기컴퓨터공학부) , 김튼튼 (IBS 나노구조물리 연구단) , 김현돈 (한국과학기술원 기계공학과) , 민범기 (한국과학기술원 기계공학과)

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AI 본문요약
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문제 정의

본고에서는 여러 메모리 메타물질을 소개하고자 하는데, 메모리 기능을 나타내는 매개물질을 기준으로 분류하여 요약할 것이다. 지금까지 보고된 대표적인 메모리 메타물질은 주로 3가지 매개물질로 분류될 수 있는데, 바나듐산화물(VO₂), 칼코게나이드(chalcogenide), 그래핀-강유전체 복합구조체가 그것이다.
지금까지 보고된 대표적인 메모리 메타물질은 주로 3가지 매개물질로 분류될 수 있는데, 바나듐산화물(VO₂), 칼코게나이드(chalcogenide), 그래핀-강유전체 복합구조체가 그것이다. 본론에서는 이 매개물질들을 이용하여 구현한 메모리 메타물질의 사례를 중심으로 기술할 것이다.

가설 설정

등) 와 같이 매우 다양한 상으로 존재할 수 있다. 메모리 메타물질에의 응용은 VO₂의 경우에 대해서만 보고되었으므로 본고에서 기술하는 바나듐산화물은 조성비가 V : O = 1 : 2인 경우(VO₂)로 한정할 것이다. 바나듐산화물은 상온에서 절연체인 Monoclinic 구조로 존재하고, 섭씨 68도에서 금속성인 Rutile 구조로 변환되는데 상변화 시간이 1 ps(1조분의 1초) 이하로 매우 빠르다.

제안 방법

메모리 메타물질의 매개물질로는 갈륨-란타늄-황화물(GaLaS, GLS), 저메늄-안티몬-텔루륨화물(GeSbTe, GST) 의 경우에 대해서 보고되었다. GLS는, 녹는점이 섭씨 900도 정도로 GST 물질에 비해 약 300도 정도가 더 높아 높은 열적 안정성을 보이지만 [11], 상당수의 메모리 메타물질이 GST를 이용한 경우이므로 본고에서는 GST 기반 메모리 메타물질에 초점을 맞출 것이다.
메타물질의 구조는 산화알루미늄 기판 위에 90 nm 두께의 VO₂를 증착하고, SRR을 리소그래피 공정을 통해 제작하였다. 메타물질의 양단에 전압을 인가할 수 있는 두 전극을 배치시켜 전류를 흘림으로써 메타물질을 가열할 수 있도록 설계되었다. 상온(300 K)에서는 약 1.
36 nJ에서는 초기부터 급격히 변화를 일으켜 10회에서 결정화를 유도한다. 이를 이용하여 8단계 반사도 변조를 가능하게 하였다. 유사한 방식으로 Ge : Sb : Te 의 조성을 3 : 2 : 6으로 제작할 경우 (Ge₃Sb₂Te₆), 적외선 영역에서의 손실을 줄여 광학적 특성을 향상시킬 수 있음이 보고되기도 하였다 [14].
지금까지 메모리 메타물질을 매개물질 관점에서 분류하여 크게 바나듐산화물, 칼코게나이드 및 그래핀-강유전체 복합구조체의 경우를 사례별로 소개하였다. 바나듐산화물 기반 메모리 메타물질은 최초로 보고된 메모리 메타물질로써 바나듐산화물의 절연체-금속 상전이 현상에 기반하여 매우 큰 광학적 변조가 가능하여 스위치 기능으로 활용될 수 있다는 장점이 있다.

대상 데이터

그림 7은 그래핀-강유전체 메모리 메타물질의 구조 및 메모리 성능을 보여주고 있다. 메타물질은 폴리이미드 기판, 육각형 메타원자 배열, 그래핀, 강유전체 및 테라헤르츠파 투명 전극(TTE)으로 구성되어 있으며 그래핀을 접지에 두고 TTE에 전압을 인가하였다. p형 그래핀은 그림 7 (b)에 나타나 있듯이 양의 분극(+P_R)에 의해서는 정공이 밀려나게 되고 음의 분극(-P_R)에서는 그래핀의 캐리어 농도가 높아질 것이다.
기반으로 보고된 최초의 메모리 메타물질을 나타내고 있다 [8]. 메타물질의 구조는 산화알루미늄 기판 위에 90 nm 두께의 VO₂를 증착하고, SRR을 리소그래피 공정을 통해 제작하였다. 메타물질의 양단에 전압을 인가할 수 있는 두 전극을 배치시켜 전류를 흘림으로써 메타물질을 가열할 수 있도록 설계되었다.

성능/효과

또한 두 그래프가 일치하는 것으로 보아 강유전체의 분극 값 변화에 따른 그래핀 캐리어 농도 변화가 메타물질의 광학적 특성 변조의 원인임을 알 수 있다. 다중상태로의 변조 및 긴 데이터 유지 시간(외삽 결과 10년 이상)을 보면 신뢰도 측면에서는 분명 바나듐산화물에 비해서 개선되었다. 다양한 메타원자를 통해 투과도 뿐만 아니라 입사하는 빛의 편광 상태도 저장가능함이 시연되었다.
5 THz 지점에서의 인가하는 전압에 따른 투과도 값은 강유전체 전자소자처럼 이력 곡선이 나타나고 계산된 페르미 레벨 역시 이력곡선을 나타내고 있다. 또한 두 그래프가 일치하는 것으로 보아 강유전체의 분극 값 변화에 따른 그래핀 캐리어 농도 변화가 메타물질의 광학적 특성 변조의 원인임을 알 수 있다. 다중상태로의 변조 및 긴 데이터 유지 시간(외삽 결과 10년 이상)을 보면 신뢰도 측면에서는 분명 바나듐산화물에 비해서 개선되었다.
이상 세가지 메모리 메타물질 유형을 비교해보면 메타물질의 변조폭, 메모리 신뢰도, 구동장치의 휴대성 및 편리성 측면에서 각각의 특성을 지니고 있는 것을 알 수 있다. 실용화를 위해서는 많은 추가적인 연구가 필요하지만, 메모리 메타물질은 다양한 분야에 활용 가능하므로 앞으로도 다양한 결과가 이어질 것으로 전망한다.
초기화 상태로 돌아오기 위해 다시 강한 펄스 빛을 조사하면 된다. 펄스 빛의 세기를 조절함으로써 mid-IR 영역에서 투과도의 비율을 4 : 1을 얻을 수 있었다. 추가적으로 양방향성, 반복성(50회)을 보고하였는데,전광 신호처리 (all optical processing)의 가능성을 보인 것으로 평가되고 있다.

후속연구

추가적으로 양방향성, 반복성(50회)을 보고하였는데,전광 신호처리 (all optical processing)의 가능성을 보인 것으로 평가되고 있다. 샘플 두께의 최적화로투과도 비율을 더 높일 수 있으며 산소와 GST 물질의 반응 차단을 위한 아연황화물(ZnS)과 같은 봉지 막(passivation layer)을 추가한다면 더 높은 성능에 도달할 것으로 전망된다
이상 세가지 메모리 메타물질 유형을 비교해보면 메타물질의 변조폭, 메모리 신뢰도, 구동장치의 휴대성 및 편리성 측면에서 각각의 특성을 지니고 있는 것을 알 수 있다. 실용화를 위해서는 많은 추가적인 연구가 필요하지만, 메모리 메타물질은 다양한 분야에 활용 가능하므로 앞으로도 다양한 결과가 이어질 것으로 전망한다.
즉, 외부에서 인가하는 자극을 제거하면 변형된 광학적 특성은 초기화 상태로 돌아가게 된다. 이는 지속적인 에너지 소모를 유발하며 또한 자극의 원인을 지속적으로 공급하기 위해 메타물질의 공간적인 이동성을 제한하므로 현실적인 응용에 한계가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	능동 메타물질의 장단점은?	이 접합 커패시턴스는 공핍층의 폭에 따라 가변되고, 공핍층의 폭은 외부에서 인가하는 전압의 크기에 의해 조절되므로 결과적으로 외부에서 인가하는 전압에 의해 메타물질의 광학적 특성이 조절되는 것이다. 능동 메타물질은 메타물질의 광학적 특성을 원하는 대로 조절할 수 있다는 장점이 있지만 원하는 광학적 특성을 유지하기 위해 지속적으로 외부의 자극을 인가해야 하는 단점이 있다 [7]. 즉, 외부에서 인가하는 자극을 제거하면 변형된 광학적 특성은 초기화 상태로 돌아가게 된다.
	칼코게나이드의 결정질 및 비정질 상태의 물성 차이를 기반으로 하는 대표적인 기록 장치는 무엇인가?	광학적 특성으로는 결정질 상태의 반사도가 비정질 상태보다 높고 전기적 특성으로는 결정질 상태의 전도도가 더 높다. DVD 플레이어 및 상변화 메모리(Phase-change random access memory, PRAM)가 이러한 특성을 이용한 대표적인 예이다. 메모리 메타물질의 매개물질로는 갈륨-란타늄-황화물(GaLaS, GLS), 저메늄-안티몬-텔루륨화물(GeSbTe, GST) 의 경우에 대해서 보고되었다.
	메타물질이란 무엇인가?	메타물질(metamaterial)이란 자연에서 발견되지 않는 특이한 광학적 성질을 얻기 위해 인위적으로 설계된 물질이며, 음굴절률 [1], 고굴절률 [2], 투명망토 [3], 변환광학 [3] 및 강한 카이랄성 [5] 등 다양한 광학 현상을 가능하게 한다. 일반적으로 메타물질은 유전체에 삽입된 금속 구조체 배열로써 구성되는데, 그의 기본 단위구조체는 사용하는 빛의 파장보다 훨씬 작은 스케일로 제작된다.

참고문헌 (20)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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