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KIST, ㈜플라스바이오에 라디칼고분자 기반 멤리스터·습도 감응 소자 기술 이전
구분
기술이전 사례
작성일
2026-02-23
조회수
118
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KIST, ㈜플라스바이오에 라디칼고분자 기반 멤리스터·습도 감응 소자 기술 이전

 


극한환경차폐소재연구센터 주용호 박사

 

   한국과학기술연구원(KIST)은 ㈜플라스바이오에 라디칼고분자(PTEO) 기반 저항성 메모리 및 습도 감응형 멤리스터 제조 기술을 이전했다고 밝혔다.

   이번 기술은 하나의 유기 소재만으로 메모리 기능(정보 저장)과 센서 기능(환경 감지)을 동시에 구현할 수 있는 차세대 전자소자 플랫폼으로, 최근 주목받고 있는 인-센서 컴퓨팅(in-sensor computing) 구현을 위한 핵심 기반 기술로 평가된다.

   해당 기술을 통해 제작되는 소자는 전압을 인가할 때 저항이 변화하며 정보를 저장하는 기존 멤리스터 기능뿐 아니라, 주변 습도 변화에 따라서도 저항 상태가 조절되는 다중모드 동작 특성을 갖는다. 즉, 하나의 소자가 기억 기능과 감지 기능을 동시에 수행할 수 있어 차세대 스마트 전자소자 분야에서 활용 가능성이 크다.

   실험 결과, 해당 소자는 온/오프 비(on/off ratio) 10⁶ 이상의 우수한 스위칭 성능을 보였으며, 10⁵초 이상 정보를 안정적으로 유지하는 등 뛰어난 유지 특성을 확인했다. 특히 기존 금속 산화물 기반 멤리스터와 달리, 이번 기술은 저온 공정이 가능한 유기소자로 제작이 가능해 유연 기판에도 적용할 수 있다는 점에서 차별성을 가진다. 이에 따라 향후 웨어러블 기기, 플렉서블 전자소자 등 다양한 분야에서의 응용이 기대된다.

 

‘라디칼 네트워크’를 활용한 새로운 저항 스위칭 원리

   기존 멤리스터는 주로 금속 산화물 내부에서 전류가 흐르는 통로(필라멘트)가 형성되는 방식으로 작동해왔다. 반면 이번 기술은 라디칼 고분자 내부에서 일어나는 산화·환원 반응을 활용하는 완전히 새로운 원리를 기반으로 한다.

   핵심 공정과 동작 원리는 다음과 같이 세 가지로 정리할 수 있다.


1. 라디칼 고분자 활성층 형성

KIST 연구진은 PTEO(poly(4-glycidyloxy–2,2,6,6–tetramethyl piperidine-1-oxyl))라는 라디칼 고분자를 용액 공정으로 얇고 균일한 박막 형태로 제작했다. 이 소재 안에는 전하 전달에 중요한 역할을 하는 나이트록사이드 라디칼(nitroxide radical)이 다량 포함돼 있어, 소자의 핵심 작동 기반이 된다.


2. 전압 기반 저항 스위칭(메모리 모드)

소자에 전압이 가해지면 라디칼기 사이에서 산화·환원 반응이 연속적으로 발생하면서 전하가 이동할 수 있는 경로가 형성된다. 이 과정에서 소자는 전류가 잘 흐르는 상태(저저항)와 전류가 거의 흐르지 않는 상태(고저항)를 반복적으로 전환할 수 있으며, 이를 통해 안정적인 정보 저장(SET/RESET) 동작이 가능해진다.


3. 습도 기반 저항 스위칭(센서 모드)

PTEO는 공기 중 수분과 반응하면 물성이 변화해 내부 이온의 이동이 쉬워진다. 그 결과 습도가 일정 수준 이상으로 올라가면 저항이 급격히 낮아지면서 저저항 상태(SET)로 전환되고, 반대로 건조한 환경에서는 고저항 상태(RESET)로 돌아가는 특성을 보인다. 즉, 습도 자체가 소자의 입력 신호로 작동하는 것이다. 이처럼 연구진은 공정 제어를 통해 분자 수준에서 라디칼 네트워크를 설계함으로써, 하나의 소자에서 전기 신호(메모리 기능)와 환경 신호(습도 감지 기능)를 동시에 처리할 수 있는 기반을 마련했다.



 [그림 1] 기술이전 기술의 개요

 


기존 소재를 뛰어넘는 성능과 높은 활용 가능성

   최적화된 PTEO 기반 소자는 기존 금속 산화물 기반 멤리스터와 비교해, 단순히 정보를 저장하는 저항성 메모리 기능을 넘어 센서와 메모리 기능이 하나의 유기소자에 통합된 다기능 플랫폼이라는 점에서 차별성을 가진다. 해당 소자는 전압을 인가할 때 발생하는 저항 스위칭뿐 아니라, 주변 습도 변화에 의해서도 저항 상태가 달라지는 다중 입력 기반 구동 특성을 나타낸다. 이를 통해 하나의 소자가 전기 신호와 환경 신호를 동시에 처리할 수 있는 기반을 제공한다.

   성능 측면에서도 우수한 결과를 확보했다. 실험 결과, 소자는 10⁵초 이상(하루 이상) 정보를 유지할 수 있는 비휘발성 특성을 보였으며, 온/오프 비(on/off ratio) 10⁶ 이상을 기록해 안정적인 메모리 동작 가능성을 확인했다. 또한 기존 멤리스터처럼 금속 필라멘트 형성에 의존하지 않는 구조적 원리를 기반으로 하기 때문에, 전극 소재 변화에 따른 영향이 상대적으로 적다. 더불어 용액 공정을 활용한 저온 제조가 가능해, 플라스틱 기반의 유연 기판(플렉서블 소자) 적용은 물론 대면적 인쇄전자 공정에도 유리하다는 장점을 보인다.


 


 [그림 2] 라디칼 고분자의 인-센서 컴퓨팅 메커니즘

 



향후 산업화를 위한 과제

   라디칼 고분자 기반 멤리스터 및 습도 감응형 메모리 소자가 본격적으로 상용화되기 위해서는 공정, 소자, 소재 전반에서 추가적인 기술 고도화가 필요하다. 먼저 대면적 소자 생산을 위해서는 인쇄 및 코팅 방식으로 활성층을 넓고 균일하게 형성할 수 있는 박막 공정 제어 기술이 확보돼야 한다. 또한 장시간 사용 환경에서도 성능이 안정적으로 유지될 수 있도록 온도, 산소, 수분 등 외부 환경 요인에 대한 장기 안정성 확보가 중요한 과제로 꼽힌다.

   소재 측면에서는 라디칼 고분자의 합성 단가를 낮추기 위한 공정 단순화와 함께, 대량 생산이 가능한 제조 기술 개발이 요구된다. 더불어 사용된 용매를 회수해 재사용하는 기술, 친환경 공정 설계 등 지속가능성을 고려한 제조 체계 구축도 병행돼야 한다. 이러한 기반 기술이 함께 발전할 경우, 유기 기반 멤리스터 및 환경 감응형 메모리 소자의 산업화가 가속화될 것으로 전망된다. 나아가 센싱과 연산 기능이 결합된 차세대 인-센서 컴퓨팅 전자소자 시장에서도 새로운 전환점이 마련될 것으로 기대된다.

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