청색기술로 웨어러블, 로봇, 임플란트를 위한 유연한 액체 메모리칩 개발

청색기술을 바탕으로 중국 칭화대 연구자들이 거의 모든 변형을 견딜 수 있는 궁극적인 유연한 메모리를 개발했다. [사진=징 리우 / 칭화대학교]

유연한 플라스틱에 구축된 유기 박막 트랜지스터는 사람들이 구부릴 수 있는 집적회로(IC)에 대한 무어의 법칙(Moore's Law)을 논의하기 시작할 만큼 오랫동안 사용되어 왔지만, 이러한 유연한 전자제품을 위한 메모리 장치는 좀 더 까다로웠다.

이를 해결하기 위해 베이징의 칭화대학교 연구진이 또 다른 접근 방식인 액체 방식을 제공하는 유연한 저항성 랜덤 액세스 메모리 장치인 'FlexRAM'을 개발했다.

최근 재료분야 국제전문지 '어드밴스드 머티리얼(Advanced Materials)'에 실린 연구논문에서 연구진은 갈륨(gallium) 기반의 액체 금속을 사용하여 FlexRAM의 데이터 쓰기 및 읽기 프로세스를 구현했다. 이것은 청색기술을 적용한 생물모방의 한 예로, 갈륨 기반 액체 금속(GLM) 방울이 뉴런(Neuron)의 과분극과 탈분극을 모방하는 용액 환경에서 산화 및 환원 메커니즘을 거친다.

이와 같은 포지티브(+) 및 네거티브(-) 바이어스 전압은 각각 정보 "1"과 "0"의 쓰기를 정의한다. 저전압이 가해지면 액체 금속이 산화되어 고저항 상태인 "1"에 해당하고, 전압 극성을 반대로 하면 금속이 초기 저저항 상태인 "0"으로 되돌아간다. 이러한 가역적 스위칭 프로세스를 통해 데이터를 저장하고 삭제할 수 있게 된다.

연구진은 FlexRAM의 읽기 및 쓰기 기능을 보여주기 위해 소프트웨어 및 하드웨어 설정에 통합했다. 연구진은 컴퓨터 명령을 통해 0과 1의 형태로 표시되는 일련의 문자와 숫자를 1바이트의 데이터 정보에 해당하는 8개의 FlexRAM 스토리지 장치 어레이에 인코딩했다. 컴퓨터의 디지털 신호는 액체 금속의 산화와 환원을 정밀하게 제어하기 위해 펄스 폭 변조(PWM: pulse-width modulation)를 사용하여 아날로그 신호로 변환됐다.

이 사진은 FlexRAM의 핵심인 갈륨 기반 액체 금속의 산화 및 환원 상태를 보여주고 있다. [사진=칭화대학교]

칭화대 생명공학과 교수인 징 리우(Jing Liu)에 따르면 현재의 프로토타입은 전원이 꺼지면 저장된 데이터가 사라지는 휘발성 메모리이다. 그러나 리우 교수는 메모리 원리를 통해 이 장치를 다른 형태의 메모리로 개발할 수 있다고 주장하고 있다.

이러한 주장은 전원이 꺼져도 플렉스램에 저장된 데이터가 지속된다는 특이한 현상으로 뒷받침된다. 산소가 부족하거나 없는 환경에서 FlexRAM은 최대 43,200초(12시간) 동안 데이터를 유지할 수 있다. 또한 3,500회 이상의 작동 주기 동안 안정적인 성능을 유지하면서 반복 사용이 가능하다.

리우 교수는 "이러한 혁신은 플렉서블 메모리에 대한 기존 개념을 근본적으로 바꾸어 미래의 소프트 지능형 로봇, 뇌-기계 인터페이스(BMI) 시스템, 웨어러블/이식형 전자 기기를 위한 이론적 기반과 기술적 경로를 제공한다"고 말한다.

GLM 방울은 신축성 있는 바이오폴리머인 에코플렉스(EcoFlex)에 캡슐화되어 있다. 연구진은 3D 프린터를 사용하여 에코플렉스 몰드를 인쇄하고 GLM 방울과 폴리비닐 아세테이트 하이드로겔 용액을 몰드의 구멍에 따로 주입했다. 하이드로겔은 용액 누출을 방지할 뿐만 아니라 장치의 기계적 특성을 향상시켜 저항비를 높여준다.

이번에 개발한 FlexRAM은 전체 액체 기반 컴퓨팅 시스템에 통합되어 로직 디바이스로 기능할 수 있다. 현재의 프로토타입에서는 8개의 FlexRAM 단위 어레이가 1바이트의 정보를 저장할 수 있다.

리우 교수는 "이번에 개발한 개념적 데모 단계에서는 밀리미터 단위의 해상도 성형만으로도 작동 원리를 시연하기에 충분하다"며, "이러한 FlexRAM 장치에 대해 생각할 수 있는 크기 척도는 매우 다양하다"고 말하며 "예를 들어, 각 액체 방울 메모리 소자의 크기는 밀리미터에서 나노미터까지 다양할 수 있다"고 설멸했다. 그는 "흥미롭게도 이번 연구에서 밝혀진 바와 같이 방울 크기가 작을수록 메모리 반응이 더 민감해진다"고 덧붙였다.

이번의 획기적인 연구는 10여 년 전 IBM의 스튜어트 파킨과 같은 연구자들이 제안한 개념과 일치하는 뇌와 유사한 회로를 실현할 수 있는 길을 열었다. 리우 교수는 "FlexRAM은 액체 기반 전체 컴퓨팅 시스템에 통합되어 논리 소자로 기능할 수 있을 것"이라고 상상하고 있다.

연구자와 엔지니어들이 계속해서 문제를 해결하고 기술을 개선해 나감에 따라 소프트 로봇, BMI 시스템, 웨어러블/이식형 전자기기에서 FlexRAM의 잠재적 응용 분야가 크게 확대될 것으로 기대된다.