[과학 핫이슈]실로 만든 전자옷감 메모리…USB처럼 사용돼

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<실제 베틀에서 옷감으로 직조되어지는 메모리 소자>
일반 실과 메모리소자용 실을 이용하여 일반 베틀을 사용해 옷감 형태로 제작했다. 이런 방법으로 다양한 옷감의 형태와 질감을 구현하며 동시에 전자소자의 기능도 갖는 효과를 낼 수 있으며, 스마트패션에 활용도와 산업화 가능성이 높다.
<<실제 베틀에서 옷감으로 직조되어지는 메모리 소자> 일반 실과 메모리소자용 실을 이용하여 일반 베틀을 사용해 옷감 형태로 제작했다. 이런 방법으로 다양한 옷감의 형태와 질감을 구현하며 동시에 전자소자의 기능도 갖는 효과를 낼 수 있으며, 스마트패션에 활용도와 산업화 가능성이 높다.>

실로 짜는 전자옷감 메모리가 개발됐다. 전자옷감은 저장식 메모리 기능을 갖춰 이동식저장장치(USB)처럼 활용될 수 있다. 이 옷감에 생체신호 측정센서를 결합하면 만보계 역할, 심장박동수 측정 등이 가능하다. 마이크를 연결하면 녹음기로도 쓸 수 있다.

이미정 국민대 교수와 황철성 서울대 교수 공동연구팀은 알루미늄이 코팅된 실과 탄소섬유의 접합만으로(2층 구조) 저항변화 특성이 나타나는 전자옷감을 개발했다고 26일 밝혔다. 나노구조 등을 활용한 것이 아니기 때문에 기존 섬유 산업에서 사용하던 장비나 기기를 그대로 활용할 수 있다. 대면적으로 대량생산 할 수 있고 가격도 저렴하다.

연구팀은 차세대 전자메모리로 주목받는 저항변화메모리 소자를 직물형으로 구현하는데 성공했다. 개발한 옷감은 별도의 저항변화 층 없이 알루미늄이 코팅된 실과 탄소섬유의 접합만으로 저항변화메모리 소자를 직물형으로 구현했다.

일반적으로 물질의 저항인 전도성은 물질 고유 특성으로 그 값이 정해져 있다. 하지만 특정 물질은 전압이 가해졌을 때 저항값의 급격한 변화로 절연체와 전도체의 특성이 번갈아 나타나는 특이한 현상을 보이는데 이를 '저항변화'라고 한다. 저항변화메모리는 저항변화 특성을 갖는 물질이 절연체나 전도체로 저항이 변한 상태가 유지된다. 각각 상태의 전도성을 기준으로 0과 1을 구분해 정보를 저장하고 읽고 쓰기가 가능한 메모리 소자다.

<전자옷감 메모리 소재 및 저항변화 메모리 소자 특성> 알루미늄 코팅 실과 탄소 섬유 간 접촉으로 저항변화메모리 소자를 제작 할 수 있었다. 이 때 소자는양극성 저항 스위칭 특성을 나타내고 음전압에서 저항 변화, 양전압에서 저항 복귀 현상이 발생하게 된다. 1만회 동안 ON/OFF를 반복했을 때 소자의 특성은 큰 변화 없이 안정적임을 확인할 수 있었고, 비휘발성 메모리로서 정보 저장 기간 능력도 우수함을 확인했다.
<<전자옷감 메모리 소재 및 저항변화 메모리 소자 특성> 알루미늄 코팅 실과 탄소 섬유 간 접촉으로 저항변화메모리 소자를 제작 할 수 있었다. 이 때 소자는양극성 저항 스위칭 특성을 나타내고 음전압에서 저항 변화, 양전압에서 저항 복귀 현상이 발생하게 된다. 1만회 동안 ON/OFF를 반복했을 때 소자의 특성은 큰 변화 없이 안정적임을 확인할 수 있었고, 비휘발성 메모리로서 정보 저장 기간 능력도 우수함을 확인했다.>

연구팀은 저항변화 특성이 나타나는 새 메커니즘을 발견하고 이를 베틀을 이용해 일반 옷감의 형태로 직조했다. 현재 스마트 텍스타일과 관련한 제품은 직물에 집적회로를 올리기 위해 연성 PCB나 플라스틱 패키지 위에 집적회로를 올리고 또 직물 위에 다시 올리는 방법을 사용하고 있다. 플라스틱 보드는 직물보다 무겁고 옷에 붙였을 때 착용감과 내구성이 떨어진다. 그러나 옷을 입는 사람이 이질감을 느끼지 않는 웨어러블 디바이스를 구현하려면 단순히 전자소자를 옷감 위에 조립하는 수준을 넘어 실 형태의 전자재료를 직조하는 방식이 필요하다.

이를 구현하기 위해 새 형태의 소자 구조와 소재 개발로 옷감 형태의 전자소자를 만들었다. 기존에는 금속(metal)-절연체(insulator:저항변화층)-금속(metal)의 3층 구조로 저항변화 층이 만들어졌지만 이번엔 간단하게 알루미늄과 탄소섬유만으로 저항변화가 나타난다는 것을 입증했다.

연구팀은 저항변화 특성이 나타나는 새로운 메커니즘을 발견하고 이를 베틀에 이용해 일반 옷감의 형태로 직조했다. 알루미늄 표면의 자연산화막과 탄소섬유의 접촉면에서 산화-환원 반응으로 산소 빈자리가 생성되고 사라지는 반응이 반복적으로 일어나면서 안정적인 저항변화가 나타나는 것을 확인했다.

전자옷감은 기존 저항변화 메모리 소자와 차별화되는 단순한 구조를 기반으로 옷감에서 구부러짐, 뒤틀림, 세탁 등에서도 안정적으로 동작했다. 직조 배열 형태를 활용하면 국부적인 소자 손상에도 성능을 유지할 수 있다.

<직조된 다중 배열 저항변화메모리의 특성 평가>
직조기를 이용해 일반실과 탄소 섬유(가로)와 알루미늄 코팅 실(세로)을 이용 다중 배열(3x3) RRAM에서 100회 이상 반복 시에도 우수한 전기적 특성을 확인 할 수 있었다. 또한 10x10의 다중 배열 소자에서도 우수한 전기적 특성을 나타냈고, 뒤틀림이나 구부림같은 변형 조건에서도 ON/OFF 특성을 확인할 수 있었다.
<<직조된 다중 배열 저항변화메모리의 특성 평가> 직조기를 이용해 일반실과 탄소 섬유(가로)와 알루미늄 코팅 실(세로)을 이용 다중 배열(3x3) RRAM에서 100회 이상 반복 시에도 우수한 전기적 특성을 확인 할 수 있었다. 또한 10x10의 다중 배열 소자에서도 우수한 전기적 특성을 나타냈고, 뒤틀림이나 구부림같은 변형 조건에서도 ON/OFF 특성을 확인할 수 있었다.>

개발된 전자 옷감은 일반 실 형태로 짤 수 있어 완전한 옷감 형태를 가진다. 천 위에 소자를 집적하거나 인쇄해 착용자에게 이질감을 느끼게 했던 기존의 전자옷감과는 차별화된다. 소자의 성능도 그대로 유지된다. 구부러지거나 뒤틀리거나 세탁을 해도 안정적으로 동작한다. 여러 소자를 어레이 형태로 이어서 작은 부분의 소자 손상이 있어도 성능이 유지된다.

연구팀은 신개념 저항변화소자가 전자옷감뿐만 아니라 박막소자와 플렉서블소자 등 다양한 구조의 메모리 소자로 응용될 수 있는 가능성을 확인했다. 이를 기반으로 사용자가 이질감을 느끼지 않는 실 형태 전자재료를 직조하는 방식으로 이상적인 웨어러블 디바이스를 구현할 수 있을 것으로 기대된다.

또 기존 전자소자와 달리 구현된 전자옷감은 완전한 천의 형태로 소자를 구현하는데 복잡하고 비싼 반도체 소자용 장비를 사용하지 않아도 된다. 바느질, 베틀과 같은 간단한 기구를 이용한다는 점에서 반도체 전문 교육을 받은 연구인력이 아니라도 누구라도 쉽게 메모리 소자를 구현할 수 있다. 기존 섬유 산업에서 사용하던 장비와 기기를 그대로 활용해 생산 할 수 있다.

이미정 교수는 “전자소재를 실 형태로 직조해 완전히 옷감화된 저항변화 메모리를 개발한 것”이라며 “고가의 복잡한 반도체 장비 없이 기존 섬유산업에서 사용하던 장비와 기기를 그대로 활용해 대면적으로 대량 생산할 수 있다”고 말했다. 이어 “다양한 스마트패션, 웨어러블 디바이스 등에 적용할 수 있을 것으로 기대된다”고 설명했다.

송혜영기자 hybrid@etnews.com