NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 27, No. 1, 2009…
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비휘발성 저전압 메모리를 위한 고밀도 강유전체 폴리머 나노구조의 배열
초소형 전자기술과 강유전체(ferroelectric) 나노구 조의 소형화에 대한 요구의 증가는 실용적이고 이론 적인 호기심을 일으키고 있다. 강유전성 물질은 강자 성체(ferromagnetic)와는 달리 영구 쌍극자 모멘트 (dipole moment)를 가지고 있다. 이것은 전기적으로 움직이기 때문에 전기장을 사용해서 일정한 방향으로 향하게 할 수 있다. 이런 현상을 이용하여 강유전성 박막에 전기적으로 디지털 정보를 저장할 수 있기 때 문에 비휘발성 메모리(non-volatile memory)와 다량 의 정보를 저장할 수 있는 프로브와 같은 새로운 장치 의 개발이 가능할 수 있다. 최근 벨기에 Louvain Catholic 대학의 Hu 등은 강유전체 폴리머 나노패턴 박막(nanopatterned film)을 만드는 동시에 수 볼트
이하에서 폴리머 결정 위에 존재하는 영구 전기 쌍극 자의 방위를 변화시키는데 성공하였다.
P(VDF-TrFE) (Poly(vinylidene fluoride-ran- trifluoroethylene))은 낮은 공정온도와 전기화학적인 특성으로 압전성, 초전기적 특성을 지닌 장치와 유기막 트랜지스터에도 사용되는 탁월한 강유전성 플라스틱 물 질이다. 플라스틱 물질은 제조하기가 쉽기 때문에 매력 적이지만, 마이크로구조는 매우 무질서하므로 큰 전기 장으로 단일 결정 쌍극자 모멘트의 방위를 변화시킬 필 요가 있다. 이를 위해서는 일반적으로 100nm 두께의 박 막에 수십 볼트가 필요하고, 이러한 작은 크기에서 발생 하는 이종행위(heterogeneous behavior)는 고밀도 저 장장치를 만드는 것을 방해한다. 이 연구진은 간단한
그림 1. 강유전성 폴리머의 고밀도 결정 나노구조체를 만들기 위한 nano-embossing 기술 (A) 나노 임프린트 공정의 개략
도, (B) P(VDF-TrFE) 혼성 중합체의 화학적 단위체, (C) embossing 후 극을 인가하기 이전의 최종 P(VDF-TrFE) 혼성
중합체의 결정 단위체.
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…NICE, 제27권 제1호, 2009nano-embossing(혹은 nano-imprint lithography) 기술을 사용해서 고밀도 강유전체 폴리머 나노구조 어 레이를 만들었다. [그림 1(A)]는 나노구조 플라스틱 어레이를 만드는 과정을 순차적으로 나타낸다. 박막을 스핀코팅하고 이것을 가열하여 몰드에 압착한 후에 어 닐링(annealing) 과정을 거쳐서 몰드를 제거하였다. 전
체 공정은 몇분밖에 걸리지 않고 쉽게 제어가 가능하 다. 매우 간단한 이 프로세스는 나노 임프린트 리소그래 피(nanoimprint lithography, NIL)로 알려진 기술에 몰 드로 나노모양을 압착함으로서 폴리머 박막모양을 만 들었다. NIL은 지금까지 비정질 플라스틱 모양을 만 드는데 사용되었지만, 이 연구진은 이 기술을 사용하 여 반결정 폴리머(semi-crystalline polymer)의 모양 을 만들고 이것의 결정(crystallization)을 조절하는데 사용했다. 이 나노구조 어레이는 모든 유기 전자장치 에 적합한 소프트 플라스틱 메모리에 적용할 수 있는 33gbits/inch이상의 밀도를 가진다고 연구팀은 설명하 고 있다. [그림 2 (A)와 (B)]는 P(VDF-TrFE)의 압전감응 힘 현미경(piezoresponse force microscopy, PFM)으로 살펴본 나노구조를 나타내고 있다. 여기 에서도 알 수 있듯이 나노구조 제조에 필요한 전압은 단지 2~5V에 불과하고 이 정도의 전압은 일반적인 CMOS기술에 적합하다.
폴리머는 몰드의 매우 작은 나노공동(nanocavity) 에서 결정화가 이뤄지기 때문에 몰드를 사용하지 않 으면 훨씬 더 좋은 품질의 폴리머 나노구조를 만들 수 있다. 이것은 정보를 저장하는데 필요한 전압이 매우 감소됨을 의미한다. 비록 더 좋은 강유전체 성질을 가 지기 위한 몰드 제거에 더 많은 연구가 필요하지만 이 번에 만들어진 나노구조 어레이는 휴대용 전자장치의 저전원, 비휘발성 디지털 저장매체로 사용될 수 있다.
또한 이런 구조는 구부릴 수 있고 투명한 유기 전자 장치에 집적될 수 있을 것이라 기대된다[Nature materials, Vol. 8, p. 62(2009)].