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획기적 음의 정전용량 플래시 메모리 최초 개발
우리 대학 전기및전자공학부 전상훈 교수 연구팀이 `음의 정전용량 효과(Negative Capacitance Effect, 이하 NC 효과)*'를 활용해 기존 플래시 메모리의 물리적 성능 한계를 뛰어넘는 음의 정전용량 플래시 메모리 (NC-Flash Memory)를 세계 최초로 개발했다고 18일 밝혔다.
*음의 정전용량 효과: 음의 정전용량 현상은 인가되는 전압이 증가하면 전하량이 감소함을 의미한다. 음의 정전용량 특성을 가지는 유전체 사용시, 트랜지스터에 인가되는 전압을 내부적으로 증폭하여 상대적으로 낮은 동작전압을 사용할 수 있어, 파워소모를 줄일 수 있다.
전기및전자공학부 김태호 박사과정과 김기욱 박사과정이 공동 제1 저자로 수행한 이번 연구는 저명 국제 학술지 `어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)' 2022년 12월호에 출판됐다. (논문명 : The Opportunity of Negative Capacitance Behavior in Flash Memory for High-Density and Energy-Efficient In-Memory Computing Applications) 이 국제학술지는 독일 와일리 출판사(Wiley-VCH)에서 발행하는 피어리뷰 과학 저널이다. (Impact Factor : 19.924)
현대 전자 소자에서 축전기(Capacitor)는 매우 중요한 구성 요소의 하나로, 전자 소자가 소형화되고 수직 방향으로 적층 되면서 축전기에 저장되는 전하량(Charge, Q)이 감소하는 문제가 생기므로 높은 정전용량(Capacitance, C)을 가진 유전체 물질이 필수적으로 요구되고 있다. 여기에 일반적인 축전기와 다르게 정전용량이 음의 값을 갖는(Negative Capacitance) 축전기를 활용한다면 다층의 축전기의 전체 정전용량을 오히려 더 증가시킬 수 있고, 차세대 소자에 적합한 높은 정전용량 소자 개발 난제를 해결할 수 있을 것이라는 가설이 제안되었다.
최근 메모리 공급업체들은 데이터의 폭발적 증가와 더 높은 용량의 솔리드 스테이트 드라이브(SSD) 및 더 빠른 액세스 시간에 대한 요구로 인해 기술 경쟁을 치열하게 하고 있다. 스토리지의 핵심 기술인 3D 낸드 플래시는 지속적으로 더 높은 층을 적층할 수 있는 기술을 요구하고 있고, 2028년에는 1,000단 이상의 메모리 적층이 필요할 것으로 예상되고 있다.
한편, 강유전체* 물질에서 보이는 `음의 정전용량 효과(NC 효과)'은 전자 소자에 인가된 외부 전압을 내부적으로 증폭해 전력 소모를 줄이는 특성이 있어, 전자 소자의 물리적 성능 한계를 극복할 수 있다는 가능성이 제시됐다. 최근 페로브스카이트 강유전체에서 NC 효과를 실험적으로 관찰했으나, 페로브스카이트 강유전체의 소형화 한계 및 CMOS 공정과의 부적합성으로 인해 NC 효과를 활용한 전자 소자의 구현에 대해 상당한 회의론을 불러일으켰다.
*강유전체: 전기적으로는 절연체이지만 자연상태에서 외부 전기장이 없어도 전기 편극을 지닐 수 있는 특이한 물리적 성질을 가진 물질
전상훈 교수 연구팀은 기존 플래시 메모리의 물리적 성능 한계를 극복하고 동작전압을 낮추기 위해, 반도체 공정에 사용되는 하프늄옥사이드(HfO2) 강유전체 박막의 NC 효과를 안정화해 저전압 구동이 가능한 강유전체 소재의 NC-플래시 메모리를 세계 최초로 개발했다. 개발된 NC-플래시 메모리는 기존 플래시 메모리 대비 전력 소모가 10,000배 이상 낮은 저전력 고성능 특성을 달성했다.
연구팀은 그뿐만 아니라 기존 컴퓨팅 구조인 폰노이만 아키텍처를 대체하여 새롭게 지향하는 인메모리 컴퓨팅을 NC-플래시 메모리를 기반으로 구현해 세계 최고 수준의 에너지 효율 또한 달성했다.
이번 연구 결과는 빠른 스토리지를 필요로 하는 최신 컴퓨팅과 네트워킹의 요구를 충족하는 차세대 낸드 플래시 메모리 개발에 있어 핵심 역할을 할 것이다.
한편, 이번 연구는 연세대학교와 협업을 통해서 이루어졌고, 한국 연구재단 지능형 반도체 기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
2023.01.18 조회수 5912 -
광 투과 방식의 웨어러블 유연 인장 센서 개발
기계공학과 박인규 교수 연구팀이 신체 동작 및 자세 모니터링에 활용이 가능한 탄소 나노튜브–탄성 중합체 복합소재 광 투과 방식의 웨어러블 유연 인장 센서를 개발했다.
이번 기술을 통해 인체의 다양한 관절 굽힘 동작, 자세, 맥박 및 표정 등 다양한 생체 동작을 연속적으로 측정해, 운동 시 관절부 움직임 자세 교정 및 맥박 측정을 통한 헬스케어 모니터링 시스템 등에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
구지민 박사과정이 1 저자로 참여한 이번 연구는 나노기술 분야 국제 학술지 ‘ACS Applied Materials & Interfaces’ 3월 4일 자 표지 논문에 게재됐다. (논문명: Wearable Strain Sensor Using Light Transmittance Change of Carbon Nanotube Embedded Elastomer with Microcrack)
최근 헬스케어에 대한 관심이 커짐에 따라 웨어러블 유연 센서 개발이 활발히 진행되면서 인체에 적용하는 센서로서의 유연 소재를 기반으로 다양한 전기저항식, 정전용량 방식의 플랫폼을 이용한 인장 센서가 많이 개발되고 있다.
그러나 기존의 전기저항식 센서는 장시간 반복 신호 안정성, 선형성에 한계를 보이며, 정전용량식 센서의 경우 외부 전기장의 영향에 취약하고 센서 민감도가 낮다. 이러한 점을 보완하기 위해 광학 방식의 유연 인장 센서가 개발됐으나 여전히 민감도가 낮다는 한계점이 있다.
문제 해결을 위해 연구팀은 탄소 나노튜브가 함침된 탄성중합체의 인장에 따른 광 투과도 변화 현상을 활용해 수 퍼센트에서 400%에 달하는 넓은 범위의 인장률을 안정적으로 측정할 수 있는 유연 인장 센서를 개발했다.
연구팀이 개발한 센서는 외부 인장에 따라 탄성중합체에 함침된 탄소 나노튜브 필름에 틈이 형성돼 광 투과도를 크게 변화시켜 기존의 광학 방식 인장 센서에 비해 10배 이상의 높은 감도를 가진다. 또한, 1만 3천 회 이상의 인장 변형에도 안정적인 신호 회복을 보이고, 다양한 환경 요인(온도, 습도)에도 안정적인 감지 성능을 보여 웨어러블 기기로 활용할 수 있는 큰 가능성을 보였다.
연구팀은 이러한 성능을 바탕으로 손가락 굽힘 동작을 측정해 이를 로봇 조종에 활용했으며, 3축 센서로 패키징 해 인체 자세 모니터링에 활용했다. 또한, 경동맥 근처의 맥박 모니터링과 발음할 때의 입 주변 근육 움직임 등 미세한 동작도 관찰하는 데 성공했다.
박인규 교수는 “이번 연구에서는 기존의 전기저항식, 정전용량식 및 광학 방식의 유연 인장률 센서가 갖는 한계점을 극복할 수 있는 새로운 플랫폼을 개발했다”라며 “헬스케어, 엔터테인먼트, 로보틱스 등 다양한 분야에 널리 활용할 수 있는 우수한 성능의 웨어러블 센서를 실현했다”라고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 중견 연구 과제(올인원 스마트 스킨을 위한 웨어러블 멀티센서 시스템 핵심기술 연구)와 선도연구센터지원 사업(초정밀 광 기계기술 연구센터)의 지원을 통해 수행됐다.
2020.04.02 조회수 18235 -
이현주 교수(전기및전자공학부), 움직이는 쥐에 초음파 뇌 자극 실험 성공
우리 대학 전기및전자공학부 이현주 교수 연구팀이 초소형화 및 초경량화한 미세 초음파 소자(CMUT)를 통해 자유롭게 움직이는 쥐의 뇌에 초음파 자극을 줄 수 있는 기술을 개발했다.
이 교수 연구팀은 1g 미만의 초경량 초음파 소자 개발을 통해 움직이는 쥐의 뇌 초음파 결과를 얻는 데 성공했다. 이는 쥐 무게의 6배에 달하는 초음파 변환기를 사용해 움직이는 쥐에 적용할 수 없었던 기존 기술의 한계를 극복한 것이다.
김형국 석사가 주도하고 김성연 석사과정과 덴마크 공과대학교 (DTU) 티어샤(Thielscher) 교수 연구팀이 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘브레인 스티뮬레이션(Brain Stimulation)’ 11월 17일자 온라인판에 게재됐고, 3월자 12권 2호에 출판될 예정이다. (논문명 : 자유롭게 움직이는 동물에서 비침습 뇌자극이 가능한 초소형 초음파 링 변환자 어레이, Miniature ultrasound ring array transducers for transcranial ultrasound neuromodulation of freely-moving small animals)
최근 뇌 자극 기술로 비침습적이고 집속이 가능한 초음파 자극 기술이 차세대 뇌 자극 기술로 주목받고 있다.
뇌를 자극하는 기존 방법에는 뇌의 특정 영역을 미세 자극할 수 있는 심부뇌자극술(DBS)과 광유전학 기반의 광 자극이 있지만 침습도가 높아 임상에 적용이 어렵다. 경두개전기자극술(TES)과 경두개자기자극술(TMS) 등은 비침습적이지만 자극 부위가 넓고 심부 자극이 불가능해 적용 범위에 한계가 있다.
초음파는 비침습적이기 때문에 동물실험뿐만 아니라 인체에도 안전하게 적용할 수 있어 임상 시험에 활용된다. 또한 초음파 집속을 통해 국소부위 자극과 심부 자극이 모두 가능해 타 기술 대비 이점이 많다.
초음파 뇌 자극 기술은 개발 초기 단계이기 때문에 지금까지는 쥐를 고정한 상태에서의 연구 결과만 발표됐다. 뇌 자극 관련 연구는 동물의 행동실험이 필수적임에도 불구하고 무거운 초음파 소자 때문에 쥐를 고정 및 마취해야만 했다.
연구팀은 미소 전자 기계 시스템(MEMS) 기술을 통한 정전용량 미세 초음파 소자(CMUT)의 초소형, 초경량화를 연구했다. 쥐의 구조에 맞는 중심 주파수, 크기, 초점 거리, 초음파 세기를 갖는 1g 미만의 소자와 행동실험에 적합한 실험 장치를 제작했다.
연구팀은 초음파 소자의 성능 평가를 위해 쥐 뇌의 운동 피질 (motor cortex)을 자극해 쥐의 앞발이 움직이는 운동 반응을 확인하고 승모근의 근전도를 측정했다.
연구팀은 초음파의 강도를 높일수록 운동 피질을 자극할 때 나오는 쥐의 앞발이 움직이는 현상이 더 자주 발생함을 확인했다. 결과적으로 초음파가 세지면서 반응의 성공률이 높아지는 결과를 얻어냈다.
연구팀의 초음파 소자는 쥐 뇌의 3~4mm 깊이까지 초음파가 전달되고 쥐 뇌 전체 크기의 25% 영역을 자극할 수 있다. 이 교수 연구팀은 향후 자극 범위를 국소화해 소형 동물 뇌의 단일 영역도 특이적으로 자극할 수 있는 차세대 뉴로툴 기술을 개발할 계획이다.
연구팀은 움직이는 쥐의 결과를 실시간으로 얻어낸 이번 연구 결과를 토대로 초음파가 수면에 미치는 영향을 연구 중이다. 향후 수면 연구뿐 아니라 다양한 행동실험 연구에 초음파 자극 기술을 적용할 수 있을 것으로 예상된다.
이 교수는 “머리를 고정하고 마취를 매번 시켰던 동물실험 방식을 벗어나 움직이는 쥐의 초음파 뇌 자극이 처음으로 가능해졌다”라며 “향후 수면장애, 파킨슨병, 치매, 우울증 등 여러 뇌 질환의 새로운 치료법 연구와 특이적 뇌 회로 규명에 광범위하게 적용될 수 있을 것이다”라고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 뇌과학원천기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 행동실험이 가능한 초소형 비침습 초음파 자극 장치
그림2. 정전용량형 미세 초음파 소자의 (a-c) 구조 및 (d) 2D 시뮬레이션 빔 형
2019.02.11 조회수 12489 -
스마트폰 질병진단 원천기술 개발
- 신개념의 생체분자 검출기술로 휴대용 체외진단 분야에 획기적 원천기술- 화학분야 세계적 학술지 ‘앙게반테 케미’ 1월호(16일자) 표지논문 선정
스마트폰으로도 질병을 진단하는 원천기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.
우리 학교 생명화학공학과 박현규 교수 연구팀이 스마트폰을 비롯한 휴대용 개인기기에 널리 이용되고 있는 정전기방식의 터치스크린을 이용해 생체분자를 검출하는 원천기술을 세계 최초로 개발하는 데 성공했다.
앞으로 병원에 가지 않고도 스마트폰을 가지고 간단한 질병을 진단하는 시대가 열릴 것으로 기대된다.
최근 스마트폰과 같은 휴대용 전자기기에 적용되는 정전기방식의 터치스크린은 일반적으로 손가락의 접촉을 통해 발생하는 터치스크린 표면의 정전용량 변화를 감지해 작업을 수행하도록 설계돼 있다.
연구팀은 DNA가 자체의 정전용량을 가지고 있으며, 농도에 따라 정전용량이 변화한다는 사실에 착안해 정전기방식의 터치스크린을 생체분자 검출에 활용할 수 있을 것이라고 예상했다.
이를 규명하기 위해 연구팀은 대표적인 생체분자인 DNA를 터치스크린 위에 가하고 정전용량 변화량을 감지했다. 실험결과 터치스크린을 이용해 DNA의 유무와 농도를 정확하게 검출할 수 있었다.이 결과에 따라 DNA뿐만 아니라 세포, 단백질, 핵산, 등 대부분의 생체분자가 정전용량을 갖고 있기 때문에 다양한 생체물질의 검출에도 활용될 수 있다는 가능성을 제시했다는 게 이 기술의 큰 특징이다.
박현규 교수는 “모바일 기기 등에 입력장치로만 이용해 왔던 터치스크린으로 생체 분자 등의 분석에 이용할 수 있음을 세계 최초로 입증한 결과”라며 “이 원천기술을 이용해 앞으로 터치스크린 기반의 스마트폰 또는 태블릿 PC 등을 이용해 개인이 질병을 진단하는 시대가 올 것”이라고 말했다.
이와 함께 논문의 제1저자인 원병연 연구조교수는 “현재는 생체분자의 유무 또는 농도만 측정 가능한 단계이며, 앞으로 특정 생체분자를 선택적으로 검출할 수 있는 기술을 개발해 가까운 시일 내에 상용화에 주력할 것”이라고 덧붙였다.
한편, 이번 연구는 지식경제부가 시행하는 ‘산업원천기술개발사업’으로 수행됐으며, 연구의 중요성을 인정받아 화학 분야의 세계적 학술지 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)’ 1월호(16일자) 표지논문으로 선정됐다.
그림1. 터치스크린을 이용한 생체 분자 검출 시스템 모식도 (앙게반테 케미 논문 표지). 휴대용 모바일 기기의 입력장치인 터치스크린 위에서 세포, 단백실, 핵산, 소분자 등의 생체 분자를 검출할 수 있다.
그림2. 정전용량 터치스크린 방식의 한가지인 surface capacitive touchscreen을 이용한 시스템 모식도. 여러 지점을 동시에 접촉했을 때 접촉점의 시료 농도에 따라 터치 신호의 위치가 변하는 원리를 이용한 방법. 동시에 두 개의 미지 시료의 농도를 측정할 수 있다.
그림3. 정전용량 터치스크린 방식의 한가지인 projected capacitive touchscreen을 이용한 시스템 모식도. 현재 스마트폰 등에 쓰이는 터치스크린 방식으로서, 터치스크린 표면 내부에 여러 라인의 전극이 패턴되어 있어, 각 전극의 정전용량 변화를 각각 측정함으로써 여러 접촉 시료의 농도를 동시에 검출할 수 있다.
2012.01.16 조회수 18351