KR101453688B1 - 광 입사 각도 선택성을 가지는 전자 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광 입사 각도 선택성을 가지는 전자 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전자소자에 입사되는 광의 입사각에 의해서 상이한 전기적 특성을 나타내는 전자 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 방법은 입사되는 광량에 따라 전기적 특성이 변하는 전자소자에 굴절률이 상이한 다수의 매질을 통해 광을 조사시키고, 상기 전자소자에 입사되는 광의 입사각을 변화시켜 입사되는 광량을 조절하여 상기 전자 소자의 특성을 변화시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따라서, 다양한 전자소자에 간단하게 추가적인 매질을 누적하는 간단한 과정으로 광 입사각 의존성을 부여하는 방법이 제공되었다. 또한 상기 소자의 광 입사각 선택성은 광 입사 방향이 고정된 상황에 적용되더라도 소자가 광 입사 방향에 평행한 축을 중심으로 경사각을 바꾸는 움직임이 있을 때에도 동일한 효과를 얻을 수 있다. 이는 굳이 소자의 동적 상태를 크게 변화시키지 않고도 소자의 경사각도에 변화를 주는 것만으로 소자의 성능을 제어할 수 있음을 의미한다. 또한 광자는 전자보다 이동 속도가 빠르고, 신호 간섭성이 작다는 장점이 있기 때문에 소자의 작동 속도를 높이거나 크기를 줄이는 부가적인 효과를 기대할 수 있다.
본 발명에 따른 방법은 입사되는 광량에 따라 전기적 특성이 변하는 전자소자에 굴절률이 상이한 다수의 매질을 통해 광을 조사시키고, 상기 전자소자에 입사되는 광의 입사각을 변화시켜 입사되는 광량을 조절하여 상기 전자 소자의 특성을 변화시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따라서, 다양한 전자소자에 간단하게 추가적인 매질을 누적하는 간단한 과정으로 광 입사각 의존성을 부여하는 방법이 제공되었다. 또한 상기 소자의 광 입사각 선택성은 광 입사 방향이 고정된 상황에 적용되더라도 소자가 광 입사 방향에 평행한 축을 중심으로 경사각을 바꾸는 움직임이 있을 때에도 동일한 효과를 얻을 수 있다. 이는 굳이 소자의 동적 상태를 크게 변화시키지 않고도 소자의 경사각도에 변화를 주는 것만으로 소자의 성능을 제어할 수 있음을 의미한다. 또한 광자는 전자보다 이동 속도가 빠르고, 신호 간섭성이 작다는 장점이 있기 때문에 소자의 작동 속도를 높이거나 크기를 줄이는 부가적인 효과를 기대할 수 있다.
Description
본 발명은 광 입사 각도 선택성을 가지는 전자 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전자소자에 입사되는 광의 입사각에 의해서 상이한 전기적 특성을 나타내는 전자 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
현대사회의 필수품인 다양한 전자제품이 갖는 공통적인 제약은 정보 전달 매개체가 근본적으로 전기적 자극 즉, 전자의 이동을 통해 유도된다는 점이다. 그런데 전자 소자가 소형화됨에 따라서 두 전송 라인의 물리적 위치가 더욱 가까워지고 있지만 전자는 고질적으로 상호작용이 강해서 신호를 손상시키거나 왜곡하여 시스템 효율을 저하시키는 전기적 신호 간섭 문제가 불거지고 있다. 이 문제를 해결하기 위한 수단으로 빠른 이동 속도와 비 간섭 특성, 병렬적 이동 특성, 고 집적도의 용이성 등에서 월등히 우월한 빛을 도입하면 광 전기 신호에 의한 정보 처리라는 새로운 방식을 제공할 수 있을 것으로 기대된다. 여기에서 특히 광 신호의 조사 방향을 인지하고, 그 방향에 따라 두 가지 다른 전기적 특성을 갖는 반도체 회로가 실현되면 모션 컨트롤이 가능한 첨단 시대를 여는 원동력이 될 것이다. 빛을 이용해 자료를 인지하고 정보를 처리하기 위해서는 자유자재로 빛의 흐름을 조절하는 것부터 광 정보로 전환하고 이동시키는 방법까지 개발되어야 하지만 그런 기술이나 장치를 개발하는 데 많은 시간이 걸린다. 따라서 전자 소자의 구조는 그대로 유지하면서 전자식 정보 전달 구조의 단점을 보완할 수 있는 방법이 요구되고 있다.
본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 전자 소자가 광 입사 각도 선택성을 가지도록 하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에서 해결하고자 하는 다른 과제는 광 입사 각도 선택성을 가지는 새로운 전자 소자를 제공하는 것이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은 입사되는 광량에 따라 전기적 특성이 변하는 전자소자에 굴절률이 상이한 다수의 매질을 통해 광을 조사시키고, 상기 전자소자에 입사되는 광의 입사각을 변화시켜 입사되는 광량을 조절하여 상기 전자 소자의 특성을 변화시키는 방법을 제시한다.
본 발명에 있어서, 상기 전자 소자의 표면에 제1 굴절률을 가지는 제1 매질이 위치하고, 상기 광은 제1 굴절률과 상이한 제2 굴절률을 가지는 제2 매질을 투과한 후, 상기 전자소자의 표면에 위치하는 제1 매질을 투과하여 전자소자에 조사되어 입사각의 변화에 따라 광량이 변하게 된다. 바람직하게는 전자 소자의 표면에 위치하는 제1 매질의 굴절률이 제2 매질의 굴절률에 비해 적은 것이 바람직하다.
본 발명에 실시에 있어서, 극적인 굴절 특성인 전반사를 나타내기 위해서는 광학 밀도가 낮은 제1매질을 소자의 상부에, 광학 밀도가 높은 제2 매질을 제1 매질의 상부에 위치하는 것이 바람직하다. 제2매질에 광원으로부터 소자 방향으로 입사하는 빛은 두 매질 사이 경계면에서 빛의 굴절 혹은 전반사를 일으킴으로써 소자에 도달하는 광량이 제어된다. 광원은 제2 매질 위 공기 중에 존재할 수 있지만 빛의 감쇄와 흡수 특성을 고려하면 바람직하게는 제2 매질 내부에 존재한다.
본 발명에 있어서, 전반사라는 극적인 굴절 특성을 의도하기 위해 광학 밀도에 따른 매질 구조를 한정했으나 이에 제한되지 않는다. 또한, 제1 매질과 제2 매질은 상대적 배열을 달리할 수 있다. 두 매질은 고체일 수 있으나, 바람직하게는 광 투과도를 높이기 위해 그리고 배열 구조를 가역적으로 변화시키기 위해서 액체 혹은 기체 매질이 소자 위에 배열될 수 있다. 매질이 고형물이 아닌 경우 통상적으로 광학 밀도는 질량 밀도(mass density)와 비례하기 때문에 광학 밀도가 높은 매질이 낮은 매질 위에 있는 상기 배치가 자연적으로 이루어지기 어렵다. 이 문제점을 해결하기 위해서, 소자에 초발수성 표면 처리를 이용하여 두 가지 유동성 매질이 안정적인 경계와 구조를 형성하는 것이 바람직하다. 물이 부착되지 않거나 약하게 부착되는 초발수성 표면은 물 속에 담지될 때 표면과 물 층 사이에 공기 층을 보유하는 성질이 있기 때문에 아래부터 소자, 공기(제1 매질), 물(제2 매질) 순서의 배열이 구성될 수 있다. 또한 이 공기층은 절연체로 밀봉되지 못하는 소자 부분과 접합부 및 각 소자를 연결하는 전극 배선을 수분으로부터 보호하여 안정적으로 작동할 수 있는 환경을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 매질은 기체를 포함하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 상기 기체는 전자 소자의 산화상태를 조절할 수 있도록 산소를 포함한다. 더욱 바람직하게는 값싸게 사용할 수 있는 공기이다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 매질은 바람직하게 굴절률이 낮은 기체를 포함하는 투광성 초발수층이다. 초발수성 표면은 일반적으로 높은 표면 거칠기 및 물과 반발하는 화학적 코팅의 조합을 통해 얻어질 수 있으며, 나노 섬유의 구조적 특징은 광 반응성을 높이면서 동시에 초발수성 표면을 갖기 위한 조건 중 하나인 나노 구조에 의한 물리적 특성에 적합하다. 상기 발수층은 지방산, SAM 물질, 또는 표면에너지가 낮은 화합물, 예를 들어 불소화합물로 처리된 나노 구조가 나노 구조 사이에 공기를 포집하여 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시에 있어서, 상기 불소수지는 초 소수성 표면 처리 물질로 표면에너지가 낮으며, 소자의 전기적 특성에 영향을 끼치지 않으면서, 투명도를 저하시키지 않고, 광 자극에 의해 훼손되지 않아 바람직하다. 상기 불소 수지 물질은 Poly[4,5-difluoro-2,2-bis(trifluoromethyl)-1,3-dioxole-co-tetrafluoroethylene]이 바람직하다. 상기 표면 처리 물질의 화학적 코팅은 나노구조 소자 위에 불소 수지 물질을 스핀 코팅 (spin-coating) 함으로써 간단히 형성될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 나노구조는 전자소자의 표면에 위치하는 나노와이어, 나노튜브, 또는 나노막대일 수 있으며, 바람직하게는 전자소자의 표면에서 수직하게 성장된 나노 와이어일 수 있다. 상기 나노 구조는 다양한 산화물을 이용하여 이루어질 수 있다. 상기 산화물은 Al2O3, SiO2, TiO2, VO, VO2, V2O3, V2O5, MnO, MnO2, FeO, Fe2O3, Fe3O4, CoO, Co2O3, Co3O4, NiO, CuO, Cu2O, Y2O3, ZrO2, NbO, NbO2, Nb2O5, MoO2, MoO3, RuO2, PdO, AgO, CdO, In2O3, SnO, SnO2, Sb2O3, Sb2O5, HfO2, Ta2O5, WO3, IrO2, NiO, NO, N2O 및 MgO 성분으로 이루어질 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 나노구조는 산화아연으로 이루어진 것이 특히 바람직하다. 산화아연은 나노구조의 합성이 비교적 용이하며, 저온에서 합성할 수 있고 대면적화가 용이하다. 또한 산화아연 나노구조는 또한 메모리 소자에 적용되었을 때 “0”과 “1”의 의미를 갖는 디지털 상태가 오랫동안 구분될 수 있어서 정보 처리 및 안정성 측면에서 우수한 저항변화특성을 나타낸다.
본 발명에 있어서, 바람직하게는 산화아연 나노섬유, 좀더 바람직하게는 산화아연 나노와이어인 상기 나노구조는 전자소자의 각 부품을 씨앗 층으로 하여 직접적으로 성장될 수 있다. 상기 나노구조의 바람직한 수직 배향성 성장을 위해, 전자소자의 표면에는 나노구조의 형성 전에 나노미터 단위 두께의 씨앗 층이 형성될 수 있다. 상기 씨앗 층의 형성은 본 발명이 속하는 기술분야에서 사용되는, 예컨대 화학증착법, 스퍼터링법, 증발법, 졸-겔(sol-gel)법 논리기 버퍼층의 구성물질은 Zn, Au, Ag, ZnO, GaN, SiC 또는 TiN으로부터 선택될 수 있지만 이에 한정되지 않는다. 바람직하게는 상기 씨앗 층은 산화아연 박막 또는 알루미늄 도핑된 산화아연 박막이다.
소자 위에 나노 섬유가 형성되어도 광 입사각 선택성 효과를 얻을 수 있다는 점에서는 무관하지만 바람직하게는 소자 구조가 나노 섬유 형태일 때 소자의 집적도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 넓은 비표면적으로 광 반응성을 극대화하는 장점을 가진다.
본 발명에 있어서, 상기 제2 매질은 제1 매질보다 광학밀도가 낮은 매질, 바람직하게는 상기 제1 매질보다 굴절률이 높은 매질일 수 있다. 상기 제2 매질로는 액체를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 표면에너지가 낮은 화합물에 의해서 발수될 수 있도록, 극성인 액체, 바람직하게는 물을 사용할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 광은 백열 램프, 할로겐 램프, 방전등, LED 군으로부터 선택되는 다양한 광원을 사용할 수 있으며, 특별한 제한은 없다.
본 발명의 실시에 있어서, 상기 전자 소자는 입사각이 변하면서 광이 전반사 될 때와 입사될 때, 서로 다른 전기적 특성을 나타낼 수 있다. 소자에 도달하는 광량은 전반사가 발생하는 임계각도를 전후로 극단적으로 바뀐다. 아래층에 존재하는 제1 매질은 산화 아연과 직접적인 접촉을 이루고 있기 때문에 산화 아연의 전기적 특성에 직접적인 영향을 미칠 수 있다. 특히 공기 층 내부에 있는 산소는 소자를 구성하는 산화 아연 나노와이어 표면에 쉽게 흡착되어 전자를 끌어당기고, 전체적인 표면 준위에 영향을 미치게 된다. 산화 아연이 빛을 받아 광 여기(photo-excitation)가 발생하면 표면에 흡착되어 있던 산소를 탈착하는 작용을 하기 때문에 표면 상태에 의해 산화 아연의 전기적 특성이 다시 변화한다. 이러한 일련의 과정 때문에 임계각보다 큰 각도로 빛이 입사할 때에는 일반적 저항체(resistor) 특성을 보이지만, 입사각이 임계각보다 작은 경우 메모리(memristor) 특성을 나타낸다.
본 발명에 있어서, 상기 입사각의 변화는 광원의 위치 변화 또는 소자의 기울기 변화를 통해서 변할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시에 있어서, 표면에 나노구조와 기체를 포함하는 투광성 발수층이 존재하고, 입사되는 광량에 따라 전기적 특성이 변하는 전자소자에 물을 통해서 광을 조사하면서, 광의 입사각을 변화시켜 광을 전반사 또는 입사시켜 각각 저항체와 저항메모리 특성을 구현한다. 상기 투광성 발수층은 산화아연 박막의 표면에서 600 nm이하로 수직 성장되고, 불소화합물로 처리된 산화아연 나노 와이어들과 상기 나노와이어 사이에 층에 포집된 공기로 이루어지며, 상기 전자소자는 인듐 도핑된 산화주석 투명 전극층; 글라스 기판층; 산화아연층으로 이루어진 적층소자의 상하면에 전원이 인가되는 이루어진다.
본 발명은 일 측면에서, 인듐 도핑된 산화주석 투명 전극이 코팅된 글라스 기판,
상기 글라스기판 상부에 위치하는 산화아연층; 상기 산화 아연층의 상면에 패턴화된 금 전극; 상기 금 전극이 패턴화된 산화아연층의 표면에 성장되고, 불소화합물로 표면 처리된 산화아연 나노와이어와 포집된 공기로 이루어진 투광성 발수층을 포함하는 발수성 전자 소자와; 상기 발수성 전자소자의 표면에 존재하는 물 층; 및
상기 전자소자에 광을 조사하는 광원으로 이루어지며, 상기 전자소자에 입사되는 광은 소정 각도에서 각각 전 반사되거나 입사되어, 상기 전자소자가 광 입사 각도 선택성을 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따라서, 다양한 전자소자에 간단하게 추가적인 매질을 누적하는 간단한 과정으로 광 입사각 의존성을 부여하는 방법이 제공되었다. 또한 상기 소자의 광 입사각 선택성은 광 입사 방향이 고정된 상황에 적용되더라도 소자가 광 입사 방향에 평행한 축을 중심으로 경사각을 바꾸는 움직임이 있을 때에도 동일한 효과를 얻을 수 있다. 이는 굳이 소자의 동적 상태를 크게 변화시키지 않고도 소자의 경사각도에 변화를 주는 것만으로 소자의 성능을 제어할 수 있음을 의미한다. 또한 광자는 전자보다 이동 속도가 빠르고, 신호 간섭성이 작다는 장점이 있기 때문에 소자의 작동 속도를 높이거나 크기를 줄이는 부가적인 효과를 기대할 수 있다.
또한, 본 발명은 기존의 다양한 전자 소자에 있어서 후 처리만으로 추가적인 광 반응성, 특히 입사각 선택성 (incident angular selectivity)을 부여할 수 있고, 전형적인 전자회로 인프라와 함께 어우러져 정보처리 기술 비약의 열쇠가 될 수 있다.
도 1a 표면 처리를 거친 소자와 처리하지 않은 소자의 기울기를 변화시켰을 때 젖음 특성의 차이와 표면 처리한 소자의 기울기가 임계각을 넘을 때 공기층에 의한 거울상 특성 (③,④)을 보여주는 사진 1b 상기 소자의 표면에 존재하는 나노와이어의 측면SEM 이미지. 1c는 상기 소자의 표면에 존재하는 나노와이어의 상부 SEM 이미지.
도 2 (a) 초발수 표면 처리를 거친 소자가 물 속에 잠겨있을 때 광원의 굴절 각도와 방향에 대한 모식도 (삽도: 상기 MIM 소자의 전기적 회로). (b) 임계각보다 높은 광 입사각에 대한 전압- 전류 특성 평가. (c) 임계각보다 낮은 광 입사각에 대한 전압- 전류 특성 평가. (b) 와 (c)는 각각 저항 메모리(memristor) 특성과 저항체(resistor) 특성을 보이며, 입사각 변환에 따라 가역적으로 얻어질 수 있다.
도 3 (a) 빛이 입사하는 각도에 따라서 경로가 바뀌는 모식도와 그에 따라서 동일한 소자에서 두 가지 특성-저항 메모리(memristor) 특성과 저항체(resistor) 특성-을 가역적으로 나타낼 수 있음을 보이는 디지털 회로 개념도. (b), (c) 광원의 각도를 고정시켰을 때 소자의 기울기 변화 혹은 상대적인 위치를 통해서도 상기 소자 특성 변화 효과를 얻을 수 있음을 보여주는 모식도.
도 4. 물 속에서 일어나는 상기 특성이 반복적이고 안정적으로 나타나는 전기적 특성 평가. (a) 입사각의 변화에 따른 프로세스 전압값이 안정적인 범위에서 가역적으로 나타나며, (b) 특성 광 입사각 환경에서 동일 전압에서 추출한 전류값이 밀집해있는 것을 확인할 수 있다.
도 2 (a) 초발수 표면 처리를 거친 소자가 물 속에 잠겨있을 때 광원의 굴절 각도와 방향에 대한 모식도 (삽도: 상기 MIM 소자의 전기적 회로). (b) 임계각보다 높은 광 입사각에 대한 전압- 전류 특성 평가. (c) 임계각보다 낮은 광 입사각에 대한 전압- 전류 특성 평가. (b) 와 (c)는 각각 저항 메모리(memristor) 특성과 저항체(resistor) 특성을 보이며, 입사각 변환에 따라 가역적으로 얻어질 수 있다.
도 3 (a) 빛이 입사하는 각도에 따라서 경로가 바뀌는 모식도와 그에 따라서 동일한 소자에서 두 가지 특성-저항 메모리(memristor) 특성과 저항체(resistor) 특성-을 가역적으로 나타낼 수 있음을 보이는 디지털 회로 개념도. (b), (c) 광원의 각도를 고정시켰을 때 소자의 기울기 변화 혹은 상대적인 위치를 통해서도 상기 소자 특성 변화 효과를 얻을 수 있음을 보여주는 모식도.
도 4. 물 속에서 일어나는 상기 특성이 반복적이고 안정적으로 나타나는 전기적 특성 평가. (a) 입사각의 변화에 따른 프로세스 전압값이 안정적인 범위에서 가역적으로 나타나며, (b) 특성 광 입사각 환경에서 동일 전압에서 추출한 전류값이 밀집해있는 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 이점, 특징 그리고 그것들을 구현하는 것은 상세하게 후술되고 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 하기 실시예는 당해 기술분야의 통상적인 지식을 가진 자가 본 발명을 이해하고 용이하게 실시하기 위해 본 발명의 바람직한 실시형태를 예시하기 위한 것이지, 본 발명을 제한하는 것으로서 해석되어서는 안 된다. 통상의 기술자는 본 발명의 사상과 목적 범위 내에서 다양한 변경과 수정이 가능함을 인식할 것이다.
실시예1. 전자소자 구조와 광 각도 제어 기술의 융합
간단한 금속-반도체-금속 (Metal-Insulator-Metal; 이하 ‘MIM’) 소자 구조에 초발수성 표면 처리를 통해 물 속에서 공기층을 응집한 형태의 구조를 구현하고, 이를 통해 광원의 입사 각에 따라 다른 소자 특성을 얻는다. 이를 위해, 인듐 도핑된 산화주석 투명 전극이 코팅된 글라스 기판(면저항 60 Ω/cm2, Aldrich) 기판 (이하 ‘ITO 글라스’) 위에 RF 스퍼터링을 이용하여 50 W, 8 mtorr, 실온에서 5분 동안 MIM 구조의의 반도체 층으로 사용되는 산화아연 박막을 30-40 nm 두께로 성장시켰다. MIM 구조의 하부 전극으로는 ITO를 사용하고, 상부 전극으로는 금 전극을 쉐도우 마스크와 고온 증발법(thermal evaporation)을 통해 패터닝 시켰다.
MIM 구조가 형성된 글라스 기판을 10 mM Zn(NO3)2?6H2O (순도 98%) 수용액과 농도 28%의 1 ml 암모니아 수용액을 혼합시킨 용액에 95℃ 온도로 2시간 동안 담지하였다. 산화아연 나노와이어의 성장 후, 기판을 탈이온수로 헹구고, N2 블로우(blow)로 건조하였다.
나노와이어가 형성된 표면을 불소수지로 코팅하기 위해 상기 Poly[4,5-difluoro-2,2-bis(trifluoromethyl)-1,3-dioxole-co-tetrafluoroethylene] 용액을 500rpm에서 30초, 2000rpm에서 30초 스핀코팅하고, 10분간 50℃ 핫 플레이트 위에서 건조한다. 위의 과정을 5회 반복한다. 상기 불소 화합물이 산화아연 나노와이어에 코팅되면 불소 수지 물질의 ?F 부가 표면으로 노출이 된다. 따라서 물방울은 나노와이어 끝에 서있는 듯한 형상을 보이며 초발수성 표면이 된다.
도1a는 표면 처리 차이에 따른 젖음 특성 차이에 대한 사진을 나타내며, b는 상기 소자의 표면에 존재하는 나노와이어의 측면SEM 이미지를, c는 상부 SEM 이미지를 보여준다. 두 개의 ITO 글라스 기판 위에 동일하게 산화아연 나노와이어를 형성하고 위의 소자는 초 발수성 표면 처리를 거치고 아래 소자는 표면 처리를 거치지 않았다. 두 소자를 비교하기 위해 동일 각도로 배치하여 물 속에 일부 담지하였고 조금씩 소자의 기울기를 변화시켰다. 표면 처리를 하지 않은 소자는 물과 접촉이 일어나는 면에서 특별한 경계 없이 젖어 있는 형태를 확인할 수 있는 반면, 표면 처리를 거친 소자를 물에 넣으면 초발수 특성으로 인해 나노선 표면에 공기층을 안고 들어간다. 상기 공기층과 물 사이에서 발생하는 굴절률 차이에 의해 임계각 이하의 시야각에서는 투과된 소자의 형태가 보이지만 임계각 이상의 시야각에서 보면 전반사 현상에 의해 거울상 특성을 보이는 것을 알 수 있다. (도면 1 ③, ④ 참고) 불소 수지로 코팅된 산화아연 나노와이어 기판들의 표면 구조를 전계방출 전자주사현미경(FESEM; JEOL, Model JSM 330F)을 통해 관찰하였다. 도 1b에 나타나듯이 나노와이어는 약 600 nm의 길이 및 약 70 nm 범위의 직경을 가졌다. 나노와이어의 길이가 길어지면 초소수 특성은 향상되지만 나노와이어에 의해 빛이 산란되어 투명도가 감소한다. 따라서 투명도 향상을 위해 적정 길이인 600 nm를 가지는 나노와이어를 합성하였다.
실시예 2. 광 각도 제어 기술을 통한 메모리 소자의 구현
상기 방식을 통한 광 각도 제어 기술을 저항 변화 메모리 소자에 적용하였다. 도 2는 초발수 표면 처리를 거친 소자가 물 속에 잠겨있을 때 광원의 굴절 각도와 방향에 대한 모식도와 저항변화소자의 특성 평가를 나타낸다.
도2a의 삽도에서 도시하는 바와 같이, 제작된 저항변화소자의 아래쪽 전극인 ITO와 위쪽 전극인 Au를 프로브 스테이션(E5270A, Agilent inc.)에 연결된 백금 탐침과 연결하여 전압을 인가함으로써 저항변화 특성을 평가한다. 광 입사각 반응 특성을 평가하기 위해 전 과정은 물 속에서 진행되었으며, 동시에 광원의 각도를 조절해가면서 전기적인 성능이 변화하는 특성을 확인한다.
도 2b와 2c는 전압-전류 특성을 도시한다. 도 2b 는 임계각도 이상의 입사각이 60º 크기로 광원이 조사했을 때 나타나는 전압-전류 반응이다. -5V부터 +5V까지 전압을 연속적으로 변화시켜주었을 때 (순방향 바이어스 인가)의 초록색 그래프와 반대로 +5V 부터 -5V까지 역방향 바이어스를 인가했을 때의 주황색 그래프는 사실상 거의 일치하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 걸어준 전압이 에너지 밴드의 위치나 내부적 수송자의 이동 등에 아무런 영향을 끼치지 않고 일반적인 저항체(resistor)처럼 작용했음을 의미하게 된다. 반면, 임계각도 이하의 입사각인 10º 크기로 광원이 조사했을 때의 전압 전류 그래프인 도 2c는 저항변화 메모리(memristor) 특성을 보이고 있다. 도 2c의 삽도에 나타난 바와 같이 초기 소자에 4V 이상의 전압이 가해지면 흐르는 전류의 양이 급격히 증가하는 모습이 관찰된다. 본 과정을 포밍 (forming)이라 정의하며, 이 첫 번째 과정을 통해 소자는 저항이 낮은 저저항 상태(이하 “LRS”라고 함)로 변화한다. LRS인 소자에 다시 한번 음전압을 인가하면 약 -2 V의 전압에서 흐르는 전류의 양이 감소하는 모습이 관찰된다 (파란색 라인). 본 과정을 리세트(reset) 과정이라 정의하며, 이 과정을 통해 소자는 저항이 높은 고저항 상태(이하 “HRS”라고 함)로 변화한다. HRS인 박막에 다시 한번 양전압을 인가하면 초기 포밍 전압보다 훨씬 작은 약 2 V의 전압에서 흐르는 전류의 양이 다시 증가하는데, 본 과정을 세트(set) 과정이라 정의하며, 두 번째 순환과정부터는 세트와 리세트 과정을 통해 전압을 인가함에 따라 특정 저항변화물질의 저항이 LRS에서 HRS로 가역적으로 변화하는 특성을 일반적으로 저항변화특성이라 명명한다.
상기 결과는 광원의 입사 각도를 달리함에 따라서 소자의 서로 다른 두 가지 전기적 특성이 가역적으로 나타나는 것을 보인다. 도 3a는 빛이 입사하는 각도에 따라서 경로가 바뀌는 모식도와 그에 따라서 동일한 소자에서 두 가지 특성-저항 메모리(memristor) 특성과 저항체(resistor) 특성-을 가역적으로 나타낼 수 있음을 보이는 디지털 회로 개념도가 함께 나타나 있다. 도 3b는 광원의 각도를 고정시켰을 때 소자의 기울기 변화를 통해서도 상기 소자 특성 변화 효과를 얻을 수 있음을 보여주는 모식도이고, 3c는 소자를 반원 위에 상대적인 위치가 다르게 두었을 때 마찬가지로 소자의 3차원적 위치에 따라서 임계각도의 전과 후를 구분 지을 수 있다는 개념을 모식도를 통해 표현하였다.
상기 특성은 물 속에서 일어나는 과정임에도 반복적이고 안정적으로 나타나는 것을 알 수 있다. (도 4) 에서의 y축은 0.01A, -0.01A에 도달하기 위한 인가 전압값 (process voltage 이하 ‘프로세스 전압’이라 함)을 의미한다. 상기 소자의 각도를 10º (파란색, 빨간색 점)와 60º(초록색, 주황색 점)로 매 회 변화시키는 순환 과정을 차례대로 x축에 횟수화 하고 그 순서대로 각각 저항변화메모리와 저항체에서 얻어지는 소자의 프로세스 전압을 매 회 확인해보면 전체적으로 구분되는 영역 내에 값이 들어가 있는 것을 보인다. 이로써 입사 각도에 따라 고유한 특성이 큰 이탈 없이 작동하는 것을 확인할 수 있다. 또한 도 4b에서 각 시스템에서 얻은 전류값을 기준으로 확률을 오름차순 정리했을 때 더욱 뚜렷한 결과를 확인할 수 있는데, 전류 특성이 분산되지 않고 밀집해 있음을 알 수 있다.
Claims (20)
- 입사되는 광량에 따라 전기적 특성이 변하는 전자소자에 굴절률이 상이한 다수의 매질을 통해 광을 조사시키고, 상기 전자소자에 입사되는 광의 입사각을 변화시켜 입사되는 광량을 조절하여 상기 전자 소자의 특성을 변화시키는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 전자 소자의 표면에 제1 굴절률을 가지는 제1 매질이 위치하고, 상기 광은 제1 굴절률보다 큰 제2 굴절률을 가지는 제2 매질을 투과하고 상기 전자소자의 표면에 위치하는 제1 매질을 투과하여 전자소자에 조사되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제2항에 있어서, 상기 제1 매질은 기체를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제3항에 있어서, 상기 제1 매질은 기체를 포함하는 발수층인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 제1 매질은 지방산, SAM 물질, 또는 표면에너지가 낮은 화합물로 처리된 나노구조를 포함하는 발수층인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제5항에 있어서, 상기 표면에너지가 낮은 화합물은 불소 화합물인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제5항에 있어서, 상기 나노 구조는 전자소자의 표면에 위치하는 나노와이어, 나노튜브, 또는 나노막대인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제5항에 있어서, 상기 나노구조는 Al2O3, SiO2, TiO2, VO, VO2, V2O3, V2O5, MnO, MnO2, FeO, Fe2O3, Fe3O4, CoO, Co2O3, Co3O4, NiO, CuO, Cu2O, Y2O3, ZrO2, NbO, NbO2, Nb2O5, MoO2, MoO3, RuO2, PdO, AgO, CdO, In2O3, SnO, SnO2, Sb2O3, Sb2O5, HfO2, Ta2O5, WO3, IrO2, NiO, NO, N2O 및 MgO 로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제2항에 있어서, 상기 제2 매질은 액체인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제9항에 있어서, 상기 액체는 물인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 광은 백열 램프, 할로겐 램프, 방전등, LED 군으로부터 선택되는 광원에서 조사되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 광은 입사각에서 따라 전반사되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전자 소자는 상기 광이 실질적으로 전반사 되는 경우, 저항체 특성을 나타내는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전자 소자는 광이 입사되는 경우, 저항메모리 특성을 나타내는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 입사각은 광원의 위치 또는 소자의 기울기 변화를 통해서 변하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 전자소자의 특성이 특정 입사각을 경계로 가역적으로 변하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 표면에 나노구조와 기체를 포함하는 투광성 발수층이 존재하고, 입사되는 광량에 따라 전기적 특성이 변하는 전자소자에 물을 통해서 광을 조사하면서, 광의 입사각을 변화시켜 광을 전반사 또는 입사시켜 각각 저항체와 저항메모리 특성을 구현하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제17항에 있어서, 상기 투광성 발수층은 산화아연 박막의 표면에서 600 nm이하로 수직 성장되고, 불소화합물로 처리된 산화아연 나노 와이어들과 상기 나노와이어 사이에 층에 포집된 공기로 이루어진 것을 특징으로 하는 방법.
- 제18항에 있어서, 상기 전자소자는 인듐 도핑된 산화주석 투명 전극층; 글라스 기판층; 산화아연층으로 이루어진 적층소자의 상하면에 전원이 인가되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 인듐 도핑된 산화주석 투명 전극이 코팅된 글라스 기판,
상기 글라스기판 상부에 위치하는 산화아연층;
상기 산화 아연층의 상면에 패턴화된 금 전극;
상기 금 전극이 패턴화된 산화아연층의 표면에 성장되고, 불소화합물로 표면 처리된 산화아연 나노와이어와 포집된 공기로 이루어진 투광성 발수층을 포함하는 발수성 전자 소자와;
상기 발수성 전자소자의 표면에 존재하는 물층; 및
상기 전자소자에 광을 조사하는 광원으로 이루어지며,
상기 전자소자에 입사되는 광은 소정 각도에서 전 반사되는 것을 특징으로 하는
광 입사 각도 선택성을 가지는 전자 소자.
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