1. 서론

‘유연 메모리 소자’는 기존의 구부러지지 않는(Rigid) 정보저장소자가 아닌 플렉서블(Flexible, 유연한) 기기에 적용이 가능한 유연한 정보저장소자를 의미한다.

구부러지지 않는(Rigid) 실리콘 기반의 정보저장소자에서 유연 정보저장소자로의 패러다임 전환

기존의 실리콘 기반 반도체는 신뢰성면에서 유연 반도체 대비 전기 전도도가 좋고 고집적 소자 구현이 가능하다는 장점을 갖고 있다. 하지만 플렉서블 기기의 정보 저장을 위한 메모리로 적용이 제한적이고 제조 공정에서도 원가 비용이 상대적으로 높다는 한계를 가지고 있는 까닭에 유연 메모리에 대한 관심과 연구가 활발히 진행되고 있다.
유연 메모리 제품의 개발은 웨어러블 및 플렉서블 제품 시장의 큰 화두로 자리 잡고 있다. 이에 산업계와 학계, 연구계를 두루 아우르며 유연 메모리에 대한 기초물성 관련 연구부터 제품화 개발 노력 등이 이뤄 지고 있다.
이러한 노력에 힘입어 유연 메모리에 대한 혁신적인 연구개발 결과가 속속 공개되고 있으며 일부 기기들에 저항 기반 메모리가 본격적으로 적용되고 있다. 유연 메모리는 축전기(Capacitor)와 유사한 ‘MIM 구조’로 인쇄 공정 등을 활용해 기존의 DRAM이나 NAND 대비 훨씬 값싸게 제작할 수 있어 어린이용 장난감 등 다양한 분야에 적용이 될 것으로 예상된다.

유연 메모리 소자의 특성 평가 결과

유연 기판에 축전기(Capacitor)와 유사한 MIM 구조로 형성된 유연 메모리는 활성층을 사이에 두고 형성된 두 개의 전극에 높은 전압을 가하면 전류가 흐르는 통로가 형성돼 저항 변화가 일어나는 특성을 이용하여 정보를 저장한다. 하지만 유연 메모리의 저항 변화 특성은 반복 측정 및 측정 조건에 따라 동작 특성이 변한다. 소자의 형태가 변하는 유연성 측정하에서는 동작 특성이 더 크게 변하며, 심지어는 소자가 고장이 나기도 한다. 따라서 유연 메모리의 상용화를 위해서는 조건에 따른 유연 저항 메모리의 특성 변화 측정이 신뢰성을 가지고 실제 제품에 적용되었을 때, 신뢰성 있는 동작이 가능하게 하는 측정에 대한 표준 개발의 선행이 필요하다.
무엇보다 유연 메모리는 저항의 변화가 가능한 소자지만, 각 작업마다 성능 저하라는 영구적인 손상을 초래할 수 있다는 특징을 갖고 있다. ‘전기 피로’라고도 하는 내구성(Endurance)은 저항의 변화를 더이상 구별할 수 없게 되기 전에 견딜 수 있는 주기의 수로, 일반적으로 106회까지 반복적으로 저항의 변화가 가능한 메모리 소자 특성이 필요하다. 저항 메모리의 변화된 특성이 유지되는 시간을 나타내는 보유 시간 (Retention)은 일반적으로 85도에서 10년 동안 정보를 저장하는 메모리 소자의 특성을 필요로 한다.

유연 반도체 소자의 기술적 발전을 위해서는 유연 메모리의 특성 평가와 함께 유연성 평가 방법에 대한 연구가 요구된다. 유연 소자의 유연성 평가는 현재 <그림 4>와 같이 1D 단축 응력 상태인 구부림 (Bending) 및 늘어남(Stretching) 하에서 평가가 주로 이루어지고 있다. 소자의 전기적 특성은 응력에 민감하게 반응하고 단축 응력 아래에서는 응력을 가하는 방향과 측정 유연 소자의 미세 정렬에 따라 소자 특성치 값이 달라져 2D 쌍축응력 하에서 소자의 특성을 평가하는 것이 바람직하나 2D 쌍축응력 하에서의 소자 유연성 평가 연구는 현재 매우 제한적이다.

유연 메모리 소자의 사용 중에 발생하는 응력은 2D 쌍축응력에 가깝기 때문에 1D 단축 응력 측정 할 경우, 수명(Lifetime)이 과대평가(Overestimation)될 수 있으며 측정 방향에 따라 유연 메모리 소자가 다른 결과를 가져올 수 있다. 2D 쌍축응력 측정의 경우 유연 소자의 측정 방향에 관계 없이 같은 결과를 가져 유연 소자의 유연성 측정은 2D 쌍축응력 하에서 이뤄지는 것이 바람직하다.
2D 쌍축응력 하에서 유연성 측정을 위한 쌍축응력 유연성 평가 기기는 기판 변형에 필요한 압력 제어 부분, 와이어 본딩 부분, 온도 제어, 수직 변위 측정 방법, 샘플 장착 및 변위 측정 등의 세부 설계가 필요하며 장비 구성은 <그림 5>와 같다. 셋업(Setup)된 2D 쌍축응력 유연성 평가 장비를 이용해 실제 응력을 대변하는 쌍축응력 상태에서 유연 메모리 소자의 응력 상태 등에 대한 연구 및 평가 등을 통해 웨어러블 기기로의 응용을 위한 소자 특성 평가가 필요하다.

유연 소자가 실제 웨어러블 기기 등의 제품으로 제작됐을 때, 제품에서 소자의 동작과 유사한 스트레스 하에서 측정할 수 있도록 도와주는 2D 쌍축응력 유연성 평가 기기는 응력 하에서 유연성 기판에 증착된 박막 특성의 변화를 측정한다. <그림 6>은 인가된 응력에 따라 저항의 변화 측정 결과를 보여준다. 동시에 광학 현미경을 통해 박막 표면의 미세구조의 변화를 관찰하여 응력에 따른 박막의 변화를 분석한다.
2D 쌍축응력 유연성 평가를 통한 소자의 신뢰성 측정은 유연 메모리 소자의 상용화를 앞당기고 관련 표준 제정에 기여 할 수 있을 것으로 기대된다.

특히 저항 변화 기반의 유연 메모리의 경우 기존의 전하 기반 NAND 플래시의 성능, 신뢰성 및 물성 특성에 대한 평가 표준 적용이 어렵기 때문에 시장 확대가 예상되는 유연 메모리의 특성과 신뢰성 및 유연성에 대한 표준개발은 매우 중요하다고 판단된다.

2. 현재 표준 트렌드 현황

2-1. R&D 관련 표준 동향

플렉서블 기기 적용 유연 메모리의 성능 및 신뢰성에 대한 규격 및 국제 표준은 관련 기술이 아직 상용화가 되지 않은 상황이다. 현재 웨어러블 기기 등으로의 응용을 위해 유연 센서, 유연 트랜지스터 소자 등에 대한 국제 표준이 TC47과 웨어러블 분야인 TC124 등에서 활발히 진행되고 있다. 이러한 상황을 고려할때 앞으로 해당 기술 관련 시장은 유연 센서, 유연 트랜지스터 소자와 더불어 센싱한 정보를 저장할 수 있는 유연 메모리의 필요성이 더욱 증가할 것으로 예상된다.

최신 표준 목록

2-2. 향후 개발이 필요한 표준

3. 미래 표준 트렌드 전망

정보통신 시장의 급속한 발전으로 우리 사회는 고용량 및 고속처리를 요구하고 있으며, 이러한 시장 변화에 따라 기존의 전하 기반 비휘발성 메모리인 NAND Flash의 단점을 보완할 새로운 개념의 저항 기반 유연 메모리용 소재 등의 개발이 활발히 이뤄지고 있다.
현재 유연 메모리 관련 저항 메모리 기술에 대한 표준화를 제정하고자 하는 노력이 중국, 미국 등에서 시작이 되고 있는 단계이다. 하지만 기존의 구부러지지 않는(Rigid) 메모리 대비 유연 메모리의 성능 및 신뢰성, 유연성 평가 법에 대한 표준은 아직 걸음마 수준이다.
국내에서는 삼성과 SKHynix 등의 메모리 반도체 기업은 사실상 표준화 기구인 JEDEC에서 DRAM과 NAND Flash 메모리에 대한 성능 및 신뢰성 평가 방법에 대한 표준개발에 적극적으로 참여하고 있다. 하지만 유연 메모리 기술이 현재 상용화 전 단계로 이에 대한 성능 및 신뢰성 평가 법에 대한 표준은 아직 활발히 이뤄지지 않고 있다. 참고로, IEC TC47에서 우리나라 주도로 유연 메모리의 평가법에 대한 표준을 지속적으로 개발하고자 노력하고 있다.
유연 저항 메모리와 관련한 국내 기업들은 소자 및 응용 분야에서 세계 시장을 리딩할 수 있는 역량을 가지고 있다. 특히 디스플레이 및 모바일 기기 분야의 경우, 한국 산업이 세계 시장을 주도하고 있으며, 해당 기기들에 활용도가 높은 유연 저항 메모리의 경우 이미 세계적인 수준을 인정받고 있다.
또한 디스플레이 및 휴대용 기기 이외의 웨어러블 및 플렉서블 소자와의 응용 분야에서는 선진국 (미국및 유럽) 대비 기술적 열세를 보이나, 최근 들어 해당 분야에서도 세계 시장을 주도할 수 있는 좋은 기술 개발이 이뤄지고 있다.
현재 유연 저항 메모리는 상용화를 위한 연구 단계로 유연 메모리의 성능, 신뢰성 및 유연성 관련 표준 제안을 위한 연구를 통해 ‘선 표준 후 기술 개발’이 가능한 분야라고 생각된다. 특히 이를 통해 국내 연구소및 산업체에서 해당 분야 기술을 리딩할 수 있는 기반을 만들어 줄 수 있을 것으로 보인다.
이러한 기반에 힘입어 향후 우리나라는 유연 저항 메모리 소자 제품 시장뿐만 아니라 소자의 상용화와 더불어 해당 소자의 평가 기술 및 장비 산업의 시장 규모도 확대될 것으로 예상된다.

4. 맺음말

정보통신 시장의 급속한 발전으로 고용량 및 고속처리의 기능 및 향후 플렉서블 기기 등에 적용이 가능한 유연 메모리에 대한 요구는 시장의 큰 화두로 자리 잡고 있다. 이에 연구개발뿐만 아니라 제품화 역시 활발히 진행되고 있다. 또한 실리콘 소자의 경우, 유연성의 제약으로 인해 응용 분야가 한정되는 반면 유연 메모리는 유연한 기판에 유연한 소자를 증착하므로 다양한 응용이 가능하다는 강점을 갖고 있다.
반도체 분야는 지금까지 국내 산업의 기둥 역할을 해왔고 추후 신성장 동력 분야로서 지속적으로 연구개 발과 표준개발이 진행돼야 한다. 특히 국내 메모리 분야는 독자적인 기술력을 바당으로 글로벌 시장을 선도하고 있는 만큼, 추후 큰 성장이 예상되는 플렉서블 전자 분야에 적용 가능한 유연 메모리 평가와 관련한 선행 표준개발이 필수적이라고 할 수 있다.
표준 기술의 선점은 다가오는 초연결사회에서 폭증하는 정보의 연산, 저장, 전달을 수행하는 기반 정보처리 및 정보 저장 소자 개발의 핵심 기술을 제공할 것이다. 또한 원천 기술 및 IP의 확보, 관련 기술 분야에서 기술적 우위를 선점할 기회를 마련하고 다양한 분야의 전자 소자에 활용이 가능할 전망이다. 적극적인 표준개발을 통한 시장 선점의 중요성에 주목해야 하는 이유다.

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