KR102120482B1 - 생분해성 고분자 나노입자를 포함하는 메모리 소자 및 이의 제조방법 - Google Patents

생분해성 고분자 나노입자를 포함하는 메모리 소자 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 생분해성 고분자 나노입자를 포함하는 메모리 소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 메모리 소자를 생체적합성 전자 소자(biocompatible electronic device)에 적용 시, 유기 반도체 분야에서 더 효율적으로 집적화가 가능하며, 실란 커플링제(silane coupling agent)를 처리함으로써 우수한 정전 용량(Capacitance)을 갖는 메모리 소자를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 메모리 소자의 제조방법은 용액 공정(solution process)을 이용하기 때문에 매우 간단한 방법으로 메모리 소자를 제조할 수 있는 장점이 있다.

Description

생분해성 고분자 나노입자를 포함하는 메모리 소자 및 이의 제조방법{Memory device including nanopaticle of biodegradable polymer and manufacturing method thereof}
본 발명은 생분해성 고분자 나노입자를 포함하는 메모리 소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 몇 년 동안, 생체 물질을 이용하여 메모리 소자를 제조하는 방법에 대해 연구 개발이 진행되었고, 특히 메모리 소자의 정전 용량(Capacitance)을 증대시키기 위해 충전/방전층에 대한 연구가 활발히 진행되었다.
기존의 전하 충전/방전층에 대한 연구는, 금속 나노입자를 이용하여 연구 진행중에 있으나, 생체적합성 물질로 이루어진 메모리 소자에 대한 연구는 부족하였다.
또한, 금속 증착 과정은 물리적으로 증착하는 진공 열 증착방법, 스퍼터링 방법과 화학적인 증착방법 등이 있는데, 이러한 공정은 까다롭고 복잡하며, 추가적인 공정들이 요구됨에 따라 고가의 장비들이 필요하다는 문제가 있다.
따라서, 상기 문제점을 해결하면서, 정전 용량(Capacitance)을 증대시켜 효율적으로 전자 소자에 적용할 수 있는 생체적합성 물질로 이루어진 메모리 소자에 대한 연구 개발이 시급한 실정이다.
대한민국 공개특허 제2013-0104820호
본 발명의 목적은 생체적합성 메모리 소자(biocompatible electronic device)에 적용 가능한 생분해성 고분자 나노입자를 포함하는 메모리 소자를 제공하는 데에 있다.
또한, 본 발명은 기존의 복잡한 공정이 아닌 간단한 용액 공정(solution process)으로 생분해성 고분자 나노입자를 포함하는 메모리 소자를 제조하는 방법을 제공하는 데에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 일실시예에서, 실리카(SiO2)를 포함하는 실리콘층; 충전/방전층, 유기 반도체층 및 전극층을 포함하고, 상기 충전/방전층은, 실란 매트릭스 내에 생분해성 고분자 나노입자가 분산된 구조를 포함하는 메모리 소자를 제공한다.
또한, 본 발명은 일실시예에서, 상기 메모리 소자를 포함하는 생체적합성 전자 소자(biocompatible electronic device)를 제공한다.
또한, 본 발명은 일실시예에서, 실리카(SiO2)를 포함하는 실리콘층에 실란 매트릭스 내에 생분해성 고분자 나노입자가 분산된 충전/방전층을 형성하는 단계; 및 충전/방전층에 유기 반도체층 및 전극층을 형성하는 단계를 포함하는 메모리 소자의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 메모리 소자를 생체적합성 전자 소자(biocompatible electronic device)에 적용 시, 반도체 분야에서 더 효율적으로 집적화가 가능하며, 실란 커플링제(silane coupling agent)를 처리하여 형성된 실란 매트릭스를 포함함으로써 우수한 정전 용량(Capacitance)을 갖는 메모리 소자를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 메모리 소자의 제조방법은 용액 공정(solution process)을 이용하기 때문에 매우 간단한 방법으로 메모리 소자를 제조할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 메모리 소자를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 메모리 소자의 일 구성인 실리카를 포함하는 실리콘층을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 메모리 소자의 일 구성인 충전/방전층을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예인 메모리 소자의 제조방법을 나타낸 도면이다.
도 5는 실시예에 따른 메모리 소자의 정전 용량(Capacitance)-전압(capacitance-Voltage; 이하 'C-V') 측정 결과를 나타낸 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명에서 첨부된 도면은 설명의 편의를 위하여 확대 또는 축소하여 도시된 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
메모리 소자(memory device)
도 1은 본 발명의 메모리 소자를 나타낸 도면이다. 도면을 참조하면, 본 발명의 메모리 소자(100)는, 실리카(SiO2)를 포함하는 실리콘층(10); 충전/방전층(20), 유기 반도체층(30) 및 전극층(40)을 포함한다.
도 2는 본 발명의 메모리 소자의 일 구성인 실리카를 포함하는 실리콘층(silicon layer)을 나타낸 도면이다. 도면을 참조하면, 실리카를 포함하는 실리콘층은(10), 실리콘 기판(11)에 실리카층(12)이 증착되어 있다.
이때, 실리콘 기판(11)의 종류는 특별히 제한되는 것은 아니나, p형 실리콘 기판일 수 있다.
실리카층(12)은, 평균 두께가 300 nm 이하일 수 있으며, 구체적으로, 5 내지 300 nm, 10 내지 100 nm 또는 10 내지 30 nm 범위 내의 두께를 가질 수 있다.
실리콘 기판(11)에 실리카층(12)을 증착시킴으로써, 히드록시기(hydroxy group)로 기능화(functional)가 가능하며, UV-오존(UV-ozone) 또는 염기 처리를 통하여 히드록시기(hydroxy group)로의 기능화를 통해 실란 커플링제(silane coupling agent)와의 결합이 가능하게 된다.
도 3은 본 발명의 메모리 소자의 일 구성인 충전/방전층을 나타낸 도면이다. 도면을 참조하면, 충전/방전층(20)은 실란 매트릭스(21) 내에 생분해성 고분자 나노입자(22)가 분산된 구조를 포함한다. 본 명세서에서 용어 「충전」은, 축전지 또는 이차전지에 외부로부터 전류가 들어가게 하여 저장된 전하량을 증가시키는 것을 의미하고, 용어 「방전」은, 충전과 반대되는 개념으로서, 축전지 또는 이차전지로부터 전류가 방출하여 저장된 전하량을 감소시키는 것을 의미하며, 용어 「충전/방전층」은, 충전/방전이 가능한 전하를 띄는 층을 의미한다.
실란 매트릭스(21)는, 평균 두께가 5 nm 이하일 수 있고, 구체적으로 0.1 내지 5 nm의 범위 내 일 수 있다.
실란 매트릭스(21)는 실란 커플링제(silane coupling agent)를 포함하며, 그 종류는 특별히 제한되는 것은 아니나, 구체적으로 (3-글리시딜옥시프로필)트리메톡시실란[(3-Glycidyloxypropyl)trimethoxysilane; 이하 'GPTMS']일 수 있다.
본 발명의 메모리 소자(100)에 실란 매트릭스(21)를 포함할 경우, 더 높은 전압 인가 시, 메모리 효과가 커지는 특성을 나타낼 수 있고, 메모리 소자의 안정성을 확보할 수 있는 장점이 있다.
본 명세서에서 용어 「생분해성 고분자」는, 적어도 분해의 한 과정에서 생물의 대사가 관여하여 저분자량 화합물로 변하는 고분자 물질을 의미하고, 용어 「나노입자」는, 적어도 한 차원이 100 nm, 다시 말해 천만분의 1미터 이하인 입자를 의미하며, 용어 「생분해성 고분자 나노입자」는, 대사 관여로 통해 저분자량 화합물로 변하는 고분자 물질로 이루어진 100 nm 이하의 입자를 의미한다.
구체적으로, 생분해성 고분자 나노입자(22)는 실란 커플링제(silane coupling agent)의 에폭시기와 생분해성 고분자에 포함된 아민기(amine group)와의 반응을 통해 형성되어 실란 매트릭스 내에 분산되어 있으며, 이때 생분해성 고분자 나노입자(22)의 평균 직경이 50 nm 이하일 수 있고, 구체적으로 1 내지 50 nm의 범위 내 일 수 있다.
본 발명의 메모리 소자(100)에 생분해성 고분자 나노입자(22)를 포함할 경우, 생체적합성 메모리 소자(biocompatible electronic device)에 적용할 수 있는 이점이 있다.
생분해성 고분자는 아민기를 하나 이상 가지는 아미노산이라면, 크게 제한되지 않으며, 구체적으로 폴리-L-아르기닌 (poly-L-arginine), 폴리히스티딘(polyhistidine), 폴리트립토판(polytryptophan) 및 폴리-L-라이신(poly-L-lysine) 중 어느 하나일 수 있다. 본 명세서에서 용어 「폴리-L-아르기닌(poly-L-arginine)」은, 아르기닌 단위당 하나의 HCl을 갖는 양으로 하전된 합성 폴리 아미노산(Poly amino acid)을 의미한다.
본 명세서에서 용어 「유기 반도체」는, 탄소물질로 만들어진 반도체로서, 유기 화합물은 대부분 절연체이나, 일반적으로 유기 반도체는 전리해 전자를 내기 쉬운 물질과 전자를 받아들이기 쉬운 물질을 화합하여 분자 화합물을 만들 때 얻어지는 유기물질 결정 구조인 외인성 반도체를 의미한다.
유기 반도체층은 메모리 소자에 적용할 수 있는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 구체적으로 펜타센(pentacene), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜), 폴리티에닐렌비닐렌 및 올리고티오펜 중 1종 이상을 포함할 수 있고, 특히 유기 반도체층은 22개의 π 결합으로 이루어진 펜타센을 포함할 수 있다.
유기 반도체층(30)은, 평균 두께가 100 nm 이하일 수 있으며, 10 내지 100 nm의 범위 내의 두께를 가질 수 있다. 구체적으로, 유기 반도체층(30)은 10 내지 50 nm의 범위 내의 두께를 가질 수 있다.
전극층(40)은 메모리 소자에 적용할 수 있는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 구체적으로 금(Au) 전극층일 수 있고, 평균 직경이 100 내지 500 ㎛의 금 도트(Au dot)를 포함하며, 금(Au) 전극층의 평균 두께는 10 내지 200 nm일 수 있다.
생체적합성 전자 소자(biocompatible electronic device)
또한, 본 발명은 일실시예에서, 메모리 소자를 포함하는 생체적합성 전자 소자를 제공한다.
생체적합성 전자 소자(biocompatible electronic device)의 구조 및 구성요소 등은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지되어 있으므로, 이하 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
생체적합성 전자 소자(biocompatible electronic device)의 구조 및 구성요소에 대해서는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 내용은 본 발명의 내용에 합체된다.
메모리 소자의 제조방법
또한, 본 발명은 일실시예에서, 실리카(SiO2)를 포함하는 실리콘층에 실란 매트릭스 내에 생분해성 고분자 나노입자가 분산된 충전/방전층을 형성하는 단계; 및 충전/방전층에 유기 반도체층 및 전극층을 형성하는 단계를 포함하는 메모리 소자의 제조방법을 제공한다.
구체적으로, 도 4는 본 발명의 일실시예인 메모리 소자의 제조방법을 나타낸 도면이다. 도면을 참조하면, 실리카층(SiO2, 12)이 증착된 실리콘 기판(11)에 UV-오존(UV-ozone) 또는 염기로 처리하여 히드록시기(hydroxy group)(-0H)기로 기능화시킨다(S1 단계). 이때, 실리콘 기판(11)으로는 p형 실리콘 기판일 수 있고, 실리카층(12)은 10 내지 300 nm의 범위 내의 두께를 가질 수 있으며, 구체적으로, 실리카층(12)은 300 nm 이하의 두께를 가질 수 있으며, 구체적으로, 5 내지 300 nm, 10 내지 100 nm 또는 10 내지 30 nm 범위 내의 두께를 가질 수 있다. 실리카층(12) 표면을 히드록시기(hydroxy group)로 기능화시키기 위해 사용되는 염기로는 특별히 제한되는 것은 아니나, 수산화나트륨(NaOH)를 이용하는 것이 바람직하다.
히드록시기(hydroxy group)로 기능화된 실리콘층(10)에 실란 커플링제(silane coupling agent)를 처리하여, 히드록시기(hydroxy group)와 실란 커플링제(silane coupling agent)와의 결합을 통해 실란 매트릭스(21)를 형성한다(S2 단계). 이때, 실란 커플링제(silane coupling agent)는 그 종류가 특별히 제한되는 것은 아니나, GPTMS 일 수 있다. 실란 매트릭스(21)는, 평균 두께가 5 nm 이하일 수 있고, 구체적으로 0.1 내지 5 nm의 범위 내 일 수 있다. 본 발명의 메모리 소자(100)에 실란 매트릭스(21)를 포함할 경우, 더 높은 전압 인가 시, 메모리 효과가 커지는 특성을 나타낼 수 있고, 메모리 소자의 안정성을 확보할 수 있는 장점이 있다.
이후, 실란 매트릭스(21)에 포함된 에폭시기(epoxy group)와 생분해성 고분자에 포함된 아민기(amine group)와의 반응을 통해 실란 매트릭스(21) 상에 생분해성 고분자 나노입자(22)가 분산되며, 생분해성 고분자 나노입자의 제조는 용액 공정(solution process)을 이용한다(S3 단계). 이때, 생분해성 고분자는 폴리-L-아르기닌(Poly-L-arginine)일 수 있고, 생분해성 고분자 나노입자(22)의 평균 직경이 50 nm 이하일 수 있고, 구체적으로 1 내지 50 nm의 범위 내 일 수 있다. 본 발명의 메모리 소자(100)에 생분해성 고분자 나노입자(22)를 포함할 경우, 생체적합성 메모리 소자(biocompatible electronic device)에 적용할 수 있는 이점이 있다.
이후, 생분해성 고분자 나노입자(22)에 열 증발증착법을 이용하여 유기 반도체층(30) 및 전극층(40)을 증착하여 형성한다(S4 단계 및 S5 단계). 이때, 유기 반도체층은 메모리 소자에 적용할 수 있는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 구체적으로 펜타센(pentacene), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜), 폴리티에닐렌비닐렌 및 올리고티오펜 중 1종 이상을 포함할 수 있고, 특히 유기 반도체층은 22개의 π 결합으로 이루어진 펜타센을 포함할 수 있다.
유기 반도체층(30)은, 평균 두께가 100 nm 이하일 수 있으며, 10 내지 100 nm의 범위 내의 두께를 가질 수 있다. 구체적으로, 유기 반도체층(30)은 10 내지 50 nm의 범위 내의 두께를 가질 수 있다.
전극층(40)은 메모리 소자에 적용할 수 있는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 구체적으로 금(Au) 전극층일 수 있고, 평균 직경이 100 내지 500 ㎛의 금 도트(Au dot)를 포함하며, 금(Au) 전극층의 평균 두께는 10 내지 200 nm일 수 있다.
이하, 본 발명인 생분해성 고분자 나노입자를 포함하는 메모리 소자 및 이의 제조방법을 실시예 및 실험예에 의해 보다 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명인 생분해성 고분자 나노입자를 포함하는 메모리 소자 및 이의 제조방법을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.
실시예. 메모리 소자 제작
10 nm 두께의 실리카층(SiO2)이 증착된 p형 실리콘 기판(크기: 1.5 cm × 3.0 cm, 두께: 0.6T) 표면을 UV-오존 (UV-ozone)으로 처리하여 실리카층의 표면을 히드록시기(hydroxy group)로 기능화시켰다.
이후, GPTMS 용액(에탄올 중 5%)에 함침시켜 히드록시기(hydroxy group)와 GPTMS와의 반응으로 통해 실란 매트릭스를 형성하였다(실란 매트릭스의 두께: 약 0.1 내지 5 nm).
실란 매트릭스 표면에 폴리-L-아르기닌(Poly-L-arginine)(Mw: 1700 Da)을 분산시키기 위해서, 1시간 동안 온화하게 딥 코팅(dip coating)하였다. 폴리-L-아르기닌(Poly-L-arginine)을 최종 농도가 2 ㎎/㎖(1 mM)가 되도록 첨가한 후 1시간 동안 딥 코팅하여 GPTMS 층에 폴리-L-아르기닌(Poly-L-arginine) 나노입자(직경: 1~50 nm)를 형성하였다(용액 공정(solution process)).
이후, 펜타센 반도체층(두께: 50 ~ 80 ㎚) 및 금 전극(금 도트의 직경: 500 ㎛, 금 전극의 두께: 150 ~ 200 ㎚)을 열 증발증착법에 의해 증착하여 메모리 소자를 제조하였다.
실험예 1. C-V 특성 분석
1 MHz의 주파수에서 HP Agilent 4284A를 사용하여 실시예에 따른 메모리 소자의 C-V 성능을 측정하여 그 결과를 각각 도 5에 나타내었다.
구체적으로, 실리콘 웨이퍼(silicon wafer)를 그라운드(ground)라 가정하고, 금(Au) 전극에 전압을 가해주어 변화되는 정전 용량(Capacitance)을 확인하였다. -3 V에서, 3 V, 그리고 -3 V로 2 V 전압씩 높여주어 ± 3 V, ± 5 V 및 ± 7 V 전압을 스윕(sweep)하여 정전 용량(Capacitance)을 확인하였다.
스윕(sweep)의 모양이 특정 히스테라시스(hysteresis)를 형성하는 것을 볼 수 있다. 더 높은 전압 인가 시, 메모리 효과가 커지는 특성을 나타내었다.
100: 메모리 소자
10: 실리카(SiO2)를 포함하는 실리콘층, 11: 실리콘층, 12: 실리카층
20: 충전/방전층, 21: 실란 매트릭스, 22: 생분해성 고분자 나노입자
30: 유기 반도체층
40: 전극층

Claims (9)

  1. 실리카(SiO2)를 포함하는 실리콘층, 충전/방전층, 유기 반도체층 및 전극층을 포함하고,
    상기 충전/방전층은,
    실란 매트릭스(silane matrix) 내에 생분해성 고분자 나노입자가 분산된 구조를 포함하고,
    상기 생분해성 고분자는 폴리-L-아르기닌(poly-L-arginine), 폴리히스티딘(polyhistidine), 폴리트립토판(polytryptophan) 및 폴리-L-라이신(poly-L-lysine) 중 어느 하나인 것인 메모리 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    실란 매트릭스는, 평균 두께가 5 nm 이하인 메모리 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    실란 매트릭스는 (3-글리시딜옥시프로필)트리메톡시실란
    [(3-Glycidyloxypropyl)trimethoxysilane]을 포함하는 메모리 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    생분해성 고분자 나노입자는 평균 직경이 50 nm 이하인 메모리 소자.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    유기 반도체층은 펜타센, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜), 폴리티에닐렌비닐렌 및 올리고티오펜 중 1종 이상을 포함하는 것인 메모리 소자.
  7. 제 1 항 내지 제 4 항 및 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 메모리 소자를 포함하는 생체적합성 전자 소자.
  8. 실리카(SiO2)를 포함하는 실리콘층에 실란 매트릭스 내에 생분해성 고분자 나노입자가 분산된 충전/방전층을 형성하는 단계; 및
    충전/방전층에 유기 반도체층 및 전극층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 생분해성 고분자는 폴리-L-아르기닌(poly-L-arginine), 폴리히스티딘(polyhistidine), 폴리트립토판(polytryptophan) 및 폴리-L-라이신(poly-L-lysine) 중 어느 하나인 것인 메모리 소자의 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    실리카(SiO2)를 포함하는 실리콘층에 실란 매트릭스 내에 생분해성 고분자 나노입자가 분산된 충전/방전층을 형성하는 단계는,
    실리카(SiO2)를 포함하는 실리콘층에 실란 커플링제(silane coupling agent)와의 결합을 위해 UV-오존(UV-ozone) 또는 염기 처리를 통하여 실란 매트릭스를 기능화하는 단계 및 실란 매트릭스에 생분해성 고분자 나노입자 용액을 도포하는 단계를 포함하는 메모리 소자의 제조방법.
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