2002년도 전반기 졸업 프로젝트 발표 강유전체 박막의 제작과 FRAM 으로의 응용

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1 2002년도 전반기 졸업 프로젝트 발표 강유전체 박막의 제작과 FRAM 으로의 응용
인제 대학교 컴퓨터응용과학부 컴퓨터시뮬레이션 전공 송 상호

2 차례 I. 강유전체 박막 (Ferroelectric Thin Film) 의 소개
II. FRAM (Ferroelectric Random Access Memory) DRAM (Dynamic Random Access Memory) III. PLD (Pulsed Laser Deposition) 장치를 이용한 박막 제조 IV. 유전상수, 이력곡선 등 물성 측정 V. FRAM 으로서의 실용성 VI. 차후 과제 – 표면 분석 (Fractal 기법 & Computer Simulation) 강유전체 박막으로 대표되는 FRAM 에 대해서 알아보고 실제 강유전체 물질로 박막을 제조함으로써 강유전체 물질의 특성을 알아보고 향후 국내뿐 아니라 국제적인 신소재의 방향에 대해서 알아본다.

3 압전성, 초전성, 강유전성의 관계 유전체 압전성 초전성 강유전성 Dielectrics Piezoelectricity
Pyroelectricity 유전체(Dielectics)는 전도전자를 갖지 않는 절연체와 같은 전자 구조를 가지고 있지만, 외부전기장을 가하면 유전분극이 발생되는 모든 물질을 말한다. 유전체 결정은 그림과 같이 32종류의 결정족으로 분류된다. 그 중에서 대칭중심을 갖는 11종류의 결정족과, Cubic계에 속하는 점군 O (432)를 제외한 20 종류의 결정족은 외부 응력에 의해 전기분극이 발생하는 압전성(piezoelectricity)을 가지고있다. 특히 대칭성이 낮은 10개의 결정족은 전기장이나 응력이 가해지지 않은 상태에서 처음부터 분극되어 있는데 이를 자발분극이라하고 결정의 온도를 변화시키면 자발분극의 변화에 해당되는 전하가 표면에 나타나게 되는데 이를 초전성이라 한다.. 강유전성 Ferroelectricity

4 유전성 평행판 축전기 Co = Q/V = eoA/d 쌍극자의 배향 C = eA/d er = e /eo

5 압전성 (Piezoelectricity)
=Pressure 압전성(Piezoelectricity)이라고 하는 것은 물질의 전기적 성질과 기계적 성질의 결합에 의해 나타나는 현상으로서, 물질에 압력을 가해서 변형을 일으키면 전기장이 형성되어 전극을 통해 전압이 발생한다. 거꾸로 압전성 물질에 전기장을 가하면 물질의 변형이 유발되기도 한다. 일반적으로 이러한 성질을 이용하여 라이터의 점화장치나 전자시계의 진동자, 또는 가습기의 분무장치에 이용된다. 센서로는 압력센서로 응용될 수 있다.

6 초전성 (Pyroelectricity)
=Heat 초전성 (Pyroelectricity)이라는 것은 자발분극의 크기가 온도에 따라 변화하는 성질 때문에 물질에 온도의 변화를 주면, 자발분극의 크기가 변하기 때문에 공간전하의 변화가 생겨 전극 사이에 전류가 흐르게 되는 성질을 말한다. 이런 전류를 초전류 (Pyroelectric current)라고 한다. 이러한 성질을 이용하면 적외선 감지 소자를 개발할 수 있다.즉, 적외선을 단속적으로 쬐어 물질의 온도를 주기적으로 변화시키면, 이 주기에 해당하는 초전류가 발생함으로써 전기적 신호를 만든다. 주로 군사적 목적에서 이러한 용도의 연구가 많이 진행되는 데,개인 휴대용 야시경의 개발을 목적으로 한다. 앞으로 위성을 이용한 위치 추적장치인 GPS와 함께 자동차의 야간 시야 확보를 위한 장치로도 개발될 수도 있다.

7 이력곡선 (Hysteresis loop) ABO3 Perovskite Bit
강유전성 (Ferroelectricity) 이력곡선 (Hysteresis loop) ABO3 Perovskite Bit 1  강유전체의 정의는 "자발분극”을 가지고 있으며, 외부 전계에 의하여 분극반전을 일으킬 수 있는 물질" 이다. PZT는 Pb(Zr,Ti)O3라는 식으로 나타내는데 ABO3의 페롭스카이트 결정구조에서 Pb 금속이온이 A-site를 차지하고, Zr과 Ti가 적당한 비율로 B-site를 나누어서 차지한다. 아래 그림에 PZT의 결정구조와 전계에 따른 분극의 이력곡선(Hysteresis loop)을 나타내었다. 가운데의 붉은 색 이온 (Ti 또는 Zr)이 결정의 중심에 위치하지 않고 "위(+Pr)" 혹은 "아래(-Pr)"쪽에 위치하여 분극(Polarization)을 가지고 있다. 그래서 이와 같은 분극을 자발 분극(Spontaneous Polarization) 이라고 한다. 이 분극은 그림과 같이 외부에서 전계를 인가하면 그 위치가 전계의 방향에 따라 반전하게 된다. 또한 전계를 제거하여도 분극이 남아 있어 비휘발 특성을 지닌다. 이 강유전체의 자발분극과 분극반전을 이용하여, +Pr 과 -Pr을 각각 "0" 과 "1" 에 대응시켜 불휘발성 기억소자를 실현한다 불휘발성이란 메모리에 있어서 어떤 정보를 저장할 때 전원이 제거되어도 저장된 정보가 지워지지 않는 소자를 의미한다. 강유전체 메모리는 휘발성 메모리인 RAM(Random Access Memory)과 ROM(Read Only Memory)의 두 가지 특성을 다가지고 있다. 현재까지는 FRAM의 공정개발수준이 DRAM에 미치지 못하기 때문에 동작속도는 떨어진다. 하지만 전원공급이 끊겨도 강유전체가 가지고 있는 자발분극 특성 때문에 저장된 정보가 지워지지 않는 우수한 정보보존의 특성을 지니고 있다. 따라서 특별히 빠른 정보 입출력을 요하지 않는 연산기나 프로그램을 저장하는 메모리 등 정보의 쓰기는 빈전하지 않으나 저장된 정보의 유지가 중요한 기억장치에 아주 유용하다. 그리고 EEROM에 비해서는 저전력으로 구동시킬 수 있으므로 정보의 입출력 횟수를 월등히 크게 할 수 있으므로 불휘발성 소자를 FRAM으로 대처할 수 있는 가능성도 충분하다. FRAM은 고속이며 소비 전력이 적고 반복 수명이 긴 비휘발성의 DRAM이라고 생각해도 좋다. 이 때문에 멀티미디어 사회에서 사용되는 IC메모리의 많은 부분을 FRAM이 차지하는 것이 가능하게 된다. 즉, ROM의 내용을 바꾸어 쓰고 싶고, 전원을 끊어도 FAM의 내용을 유지하고 싶다는 요구를 바로 만족시키게 된다. 이 때문에 전원을 넣으면 바로 작동하는 TV의 감각의 PC나 안전하면서 어디에도 사용되는 퍼스널 IC카드, 소비전력이 적은 소형의 이동 통신, 휴대단말기기 등에 응용될 수 있다. FRAM은 소멸되지 않는 게임용 메로리로서 실용적으로 중요한 위치를 차지할 것이며 이 후 다양한 가전제품, 복사기, FAX등의 민생용도, 공업용도로 사용되어 갈 것이라고 생각된다. 분극반전(Polarization reversal): switching of electric dipole moments

8 Ferroelectric Capacitor
FRAM 과 DRAM Memory 의 분류 구분 메모리 종류 동작원리 특징 응용분야 불 휘발성 ROM Hard-Wired Logic 제조시 Programming Game System Firmware BIOS Cellular, Databank Flash ROM Floating Gate Tr Electrical Programmable Electrical Erasable EEPROM FRAM Ferroelectric Capacitor Free Read/Write 휘발성 SRAM Flip-Flop Logic Fast Access Cache DRAM Charged Capacitor High Density & Refresh PC Main Memory Buffer Memory FRAM ("FRAM"은 미국의 램트론이란 회사의 고유상표이기 때문에 FeRAM으로 부르기도 한다.) 은 바로 이 강유전체의 자발분극과 분극반전을 이용하여, +Pr 과 -Pr을 각각 "0" 과 "1" 에 대응시켜 불휘발성 기억소자를 실현한다.   FRAM 이란 Ferroelectric Random Access Memory의 약자로서, 기존의 DRAM과 거의 똑같은 구조와 동작원리를 가진 기억소자이다. DRAM과 다른 점은 강유전체 (Ferroelectrics) 라는 재료를 캐퍼시터 재료로 사용하여 전원이 없이도 Data를 유지할 수 있는 비휘발성 메모리라는 점이다. 현재는 비접촉 IC 카드, MP3 플레이어용 메모리 등의 분야에 응용되고 있다. 그러나 본질적으로 DRAM수준의 고속성을 가지면서도 Hard disk와 같은 비휘발성을 겸비하고 있어, 향후 모든 기억소자에 응용될 수 있는 "꿈의 기억소자"라고 할 수 있다. 반도체 메모리는 정보의 기억 메커니즘에 따라 휘발성(Volatile)과 불휘발성(Non-Volatile) 메모리로 구분하고 동작원리, 구조, 응용분야 등에 따라 분류함.

9 강유전체 박막의 응용

10 세라믹 제조 공정 PbO+Y2O3+ZrO2+ SnO2 +TiO2
PbO (10 wt %)를 과잉 첨가한 PYZST 의 세라믹 제작 공정 PbO+Y2O3+ZrO2+ SnO2 +TiO2 Binder Addition & Drying Ball milling & Drying 48 hrs Calcining 900℃, 4 hrs Ball milling & Drying Molding 500 kgf/㎠ Sintering 1300℃, 24 hrs Ceramic

11 PLD (Pulsed Laser Deposition) 장치를 이용한 박막 제조

12 전극 증착 ( 강유전 및 전기적 특성 측정) Silver paste Silver 박막 애자 은선 Ceramic
세라믹 전극 부착 모형 Pt Ti Pt-top electrode 전기적 성질을 측정하기 위한 MFM(Metal-Ferroelectric-Metal)구조 -DC sputtering coater

13 2 ㎛ Pb0.97Y0.02[(Zr0.6Sn0.4)1-yTiy]O3 박막의 표면
주사전자현미경 (Scanning Electron Microscope) 2 ㎛

14 박막의 유전상수 측정

15 유전 특성 측정장치도 HPIB COM (Interface card) RS – 232 (Interface card)
HP 4192A (Impedance Analyzer) TCR LF Impedance Analyzer(Hewlett Packard HP4192A)와 HPIB interface card 를 이용하여 컴퓨터로 자동 조절 장치의 dc 바이어스 전압은 +,-35V의 범위이고, 5mV~1.1V 영역의 진폭을 갖는 미소교류전압의 주파수 영역은 5Hz~13MHz이다. 시료 SCR 열전대

16 유전특성 측정 Pb0.97Y0.02[(Zr0.6Sn0.4)1-yTiy]O 박막의 유전상수의 변화

17 Sawyer-Tower 회로 Y Sample CR X Co
RT66A (Radiant Technologies, Ferroelectric Test System) - Sawyer-Tower 모드, Virtual ground 모드(박막 측정시) - 이력곡선, 분극피로, 분극보존, 저항 등 측정가능

18 이력곡선 (Hysteresis loop) 결과
온도의 증가에 따른 Pb0.97Y0.02[(Zr0.6Sn0.4)1-yTiy]O3 의 이력곡선 y=0.085 y=0.12 y=0.15

19 FRAM 으로서의 실용성 비휘발성 기억소자 대용량의 기억소자 개발 (유전율이 큰 강유전체 박막의 응용) DRAM 기술들과의 호환성, 큰 잔류분극, 신뢰성 높은 횟수의 분극반전 특징 만족 차후 과제 – 표면 분석 ( Fractal 기법 & Computer Simulation ) Fractal (Self-similarity) 개념을 이용한 표면분석 Computer Simulation: Modeling