적층 제조
첨가제 제조가 ‘액체 금속 램’ 상용화의 핵심이 될 수 있다
중국 청화대학교 연구진이 달성한 새로운 저장 시스템 접근 방식은 전자 장치의 성능을 손상시키지 않으면서 유연한 메모리를 가능하게 합니다. 국가자연과학기금, 중국 박사후 과학재단, 그리고 수이무 청화 장학 프로그램의 지원을 받은 이 연구는 최근 ‘Advanced Materials’에 발표된 논문에서 “액체 금속 메모리”를 소개합니다.
저장 시스템은 전자 장치의 핵심 구성 요소로서, 세계가 보다 진보된 웨어러블 전자기기, 바이오메디컬 디바이스, 소프트 로봇을 보게 됨에 따라 훨씬 더 유연해져야 합니다. 이러한 데이터 저장 시스템은 극한까지 늘어나고, 구부러지고, 비틀려도 신흥 디바이스의 성능에 영향을 주어서는 안 됩니다.
기존 저장 방식의 한계 때문에 유연한 메모리를 구현하는 것이 어려웠습니다. 최신 연구는 인간 뇌의 편극 및 탈편극 메커니즘에서 영감을 얻은 새로운 저장 원리를 제안합니다.
액체 금속의 산화 및 탈산화 행동을 도입함으로써 팀은 완전한 유연 메모리를 달성했습니다. 연구원들은 가역 전기화학적 산화를 이용해 대상 액체 금속의 전체 전도성을 조절했으며, 이로써 이진 데이터 저장을 위한 11자리 규모의 저항 차이를 만들어냈습니다.
최적의 저장 성능을 얻기 위해 다수의 파라미터에 대한 체계적인 최적화가 수행되었습니다. 개념 실험에서는 360° 비틀림, 180° 굽힘, 100% 신장 등 극한 변형 상황에서도 메모리 안정성이 나타났습니다. 추가 테스트에서는 메모리 단위 크기가 작을수록 성능이 향상됨을 보여주었습니다.
팀은 이 저장 시스템이 33 Hz 이상의 빠른 저장 속도와 43 200 초 이상의 긴 데이터 보존 능력을 달성했으며, 3 500 사이클까지 안정적이고 반복 가능한 작동을 유지한다는 결론을 내렸습니다. 이러한 눈에 띄는 성능 지표는 ‘획기적인 방법’이 기존 전자 저장 장치의 고유한 경직성을 극복하고 혁신적인 뉴로모픽 디바이스의 길을 열 수 있음을 시사합니다.
따라서 액체 금속 메모리는 전통적인 유연 메모리 개념을 근본적으로 바꾸며, 생체 영감을 받은 인공지능 시스템, 소프트 로봇, 웨어러블 전자기기의 미래 응용을 위한 실용적인 길을 제시합니다.
비전통적인 접근법: 액체 금속 활용
유연한 디바이스의 사용이 증가함에 따라 메모리의 변형 가능한 특성에 대한 수요가 늘어날 것이라고 베이징 청화대학교 생물의공학과 교수인 진리우(Jing Liu) 교수가 인터뷰에서 말했습니다.
유연 저항성 RAM 디바이스는 FlexRAM이라 불리며 비전통적인 접근법인 액체를 이용해 개발되었습니다. 이 액체 금속 RAM은 우리 뇌가 약 70% 물로 구성된 것처럼 용액 환경에서 정보를 저장합니다.
이 생체모방 접근법을 채택함으로써 FlexRAM은 현재의 고체 메모리 시스템과 차별화됩니다. Liu에 따르면, 생체모방 접근법은 ‘생물체 내에서 발견되는 수성 작업 환경’과 유사합니다.
지금까지 기존 메모리 디바이스의 유연성은 경직된 메모리 부품을 부드러운 소재 위에 얹는 방식으로 제작되었기 때문에 제한되었습니다. 이는 디바이스가 부분적으로만 유연해지고 변형될 때 박리와 균열이 발생하게 합니다.
FlexRAM은 메모리 부품으로 갈륨과 인듐으로 구성된 합금을 사용해 저장 디바이스를 제작함으로써 이를 변화시키고자 합니다. 갈륨 기반 액체 금속은 높은 전기·열 전도성, 낮은 독성, 실온에서의 유동성 등 뛰어난 특성으로 매력적인 소재입니다.
뇌에서 영감을 받은 이 물질은 용액 환경에서 산화와 환원을 겪으며, 우리 뇌의 뉴런과 유사합니다. 내부의 원형질막이 외부에 비해 음전하를 가질 때 뉴런은 편극되며, 변화로 인해 음전하가 감소하면 탈편극이 일어납니다.
또한, 이 물질은 실온에서 액체 상태를 유지합니다. 이는 액체 표면에 조밀한 갈륨 산화물 층을 형성하도록 산화를 촉진합니다. 이 갈륨 산화물 층은 저장 시스템의 고저항 상태에 해당하고, 환원된 액체 형태인 순수 갈륨은 저저항 상태에 해당합니다.
두 상태 간 저항 차이인 높은 저항 비율은 메모리 저장 성능에 필수적입니다.
고집적 및 확장성 달성
성능 측면에서 메모리 저장 장치는 에너지 효율성, 빠른 읽기·쓰기 속도, 높은 저장 밀도, 데이터 보존, 내구성 및 신뢰성 등 다양한 특성을 갖추어야 합니다. 문제는 이러한 요소들을 균형 있게 유지하면서 디바이스의 유연성을 최대화하는 데 있습니다.
따라서 높은 변형을 견딜 수 있는 디바이스를 개발하기 위해 연구팀은 Ecoflex라는 신축성 폴리머를 캡슐화 재료로 사용했습니다.
그 다음, 팀은 3D 프린터를 이용해 Ecoflex 몰드를 출력했습니다. 3D 프린팅 또는 적층 제조는 복잡한 물체를 생산할 수 있게 해줍니다. 이는 전통적인 제조 방식으로는 경제적으로 불가능했던 제품을 생산할 수 있게 합니다. 적층 제조는 기본적으로 컴퓨터 설계에 따라 재료를 층층이 쌓아 3차원 물체를 만드는 것을 의미합니다.
비용 효율성 덕분에 3D 프린팅은 제조를 대중에게 처음으로 접근 가능하게 만들었습니다. 또한 설계 유연성과 빠른 프로토타이핑을 제공하는 능력으로 과학자와 연구자들 사이에서 인기를 끌고 있습니다.
디바이스가 제작된 후, 갈륨 기반 액체 금속의 작은 방울을 몰드 캐비티에 넣었습니다. 용액 누수를 방지하기 위해 연구진은 폴리비닐 아세테이트 하이드로겔 용액 방울도 별도로 주입했으며, 이는 디바이스의 저항 비율을 높이고 기계적 특성을 향상시키는 역할을 합니다.
액체 금속 방울의 크기는 디바이스 내 고저항 상태와 저저항 상태 비율에 큰 영향을 미치기 때문에 중요합니다. 방울이 작을수록 표면 산화막의 영향이 증폭되어 비율이 증가합니다. 따라서 방울 크기가 작을수록 ‘메모리 응답이 더 민감해집니다.’
Liu는 다음과 같이 말했습니다:
방울 크기를 줄이면 FlexRAM의 통합성과 확장성이 향상되어 완전 유연하고 고밀도 메모리가 다양한 엔지니어링 개발에 유망한 옵션이 됩니다.
데이터 읽기, 쓰기 및 저장
이제 데이터 인코딩에 관해 말하자면, FlexRAM은 액체 금속의 산화 및 환원 과정을 통해 이를 수행합니다.
작동 방식은 낮은 전압이 가해지면 갈륨 기반 액체 금속이 산화되어 ‘1’이라는 고저항 상태가 됩니다. 전압 극성을 반전시키면 액체 금속은 초기의 저저항 상태인 ‘0’으로 돌아갑니다. 이 가역 스위칭 과정은 디바이스 내에서 메모리를 저장하고 지울 수 있게 합니다.
FlexRAM의 읽기·쓰기 능력을 시연하기 위해 연구진은 디바이스를 소프트웨어와 하드웨어 환경에 통합했습니다. 컴퓨터 명령을 사용해 팀은 8개의 FlexRAM 저장 유닛 배열에 숫자와 문자 문자열을 기록했습니다.
이 문자와 숫자는 0과 1 형태로 인코딩되어 1바이트 데이터에 해당했으며, 이는 소비자 수준 메모리 용량과는 거리가 멉니다.
다음 단계에서 팀은 펄스 폭 변조(pulse-width modulation)라는 기술을 사용했으며, 이는 컴퓨터의 디지털 신호를 아날로그로 변환했습니다. 이 기술을 통해 액체 금속의 산화와 환원을 정밀하게 제어할 수 있었습니다.
그 후, 팀은 정보 읽기 중에 짧은 1볼트 테스트 전압을 적용해 금속의 산화·환원 상태를 변화시키지 않고 시스템의 저항 상태를 측정했습니다. 전류는 컴퓨터로 전송되어 알고리즘을 통해 신호를 0 또는 1로 변환합니다. 마지막으로 인코딩된 메시지는 LED 화면에 표시됩니다.
프로토타입은 휘발성 메모리이지만, 이 원리는 디바이스를 다양한 형태의 메모리로 발전시킬 수 있게 합니다.
데이터가 전원이 꺼져도 지속되는 현상을 통해 이를 확인할 수 있습니다. 이는 디바이스가 유연 저장 장치 및 RAM을 넘어설 가능성을 시사합니다. Liu는 다음과 같이 언급했습니다:
FlexRAM은 전체 액체 기반 컴퓨팅 시스템에 통합되어 논리 장치로 기능할 수 있습니다.
FlexRAM은 저산소 또는 무산소 환경에서 최대 43 200초(12시간)까지 데이터를 유지할 수 있습니다. 또한 디바이스는 3 500 사이클 이상 안정적인 성능을 유지하면서 반복 사용이 가능합니다. 좋은 시작이지만, 전통적인 비유연 메모리가 수백만 사이클을 지원하는 수준과는 아직 거리가 멉니다.
광범위한 응용 가능성
디바이스가 유망한 성능을 보여주었지만, 응답 시간과 통합 수준이 상업적 기준에 미치지 못합니다. 이는 현재 재료를 순차적으로 채우는 제조 공정을 포함해 여러 측면에서 개선이 필요함을 의미합니다.
팀은 3D 공중 프린팅 및 포장 기술과 함께 지능형 자동화 제조 공정을 활용하려고 합니다.
하지만 이 기술은 아직 초기 단계이며 완전 구현까지는 수년이 걸릴 것입니다. 그럼에도 개념 증명은 고무적이며, 이 새로운 접근법은 여러 액체 기반 개념이 탐구되는 등 산업계의 관심을 끌고 있습니다.
그러한 연구 중 하나는 시연했다 몇 년 전 두 가지 새로운 액체 기반 저장 개념—콜로이드 및 전해질 메모리가 제안되었으며, 이는 매우 고밀도 근거리 저장 응용에 잠재력을 가지고 있습니다.
다시 말해, 생명과학의 진보에서 영감을 받아, 접근 장치의 고밀도 배열을 만들기 위한 저장 매체는 이온, 분자 또는 (나노) 입자를 포함하는 액체로 제안되었으며, 이는 큰 부피에서 조작되어 고밀도 배열의 일부인 접근 장치가 됩니다.
나노 전자 및 디지털 기술 분야의 R&D 및 혁신 허브인 IMEC는 2030년부터 액체 메모리 도입을 전망합니다. 이러한 접근법을 통해 비트 저장 밀도를 mm²당 낮은 공정 비용으로 1 Tbit/mm² 수준까지 끌어올릴 수 있을 것으로 예상합니다. 또한 이러한 저장 솔루션이 근거리 응용에 적합하려면 기술이 충분한 응답 시간, 에너지 소비, 대역폭(예: 20 Gb/s), 사이클 내구성(10³ 읽기/쓰기 사이클) 및 수십 년 동안 데이터를 보존할 수 있는 능력을 갖춰야 한다고 언급했습니다.
또 다른 예시에서, 2020년 연구진은 액체 금속 배터리에서 전하를 얻었습니다. 여기서 염 전해질, 금속 양극 및 음극이 모두 액체 형태였습니다. 고체 배터리와 비교해 액체 금속 배터리는 전극 간 이온의 빠른 확산으로 인해 빠른 충·방전 사이클을 갖는 이점을 제공합니다.
게다가 기계적 스트레스가 크게 감소하고, 막과 분리막이 필요 없어지며 장기적인 안정성과 활용성이 향상됩니다. 연구에 따르면 액체 금속 배터리는 무겁지만 불연성이며 대규모 전력 저장에 더 적합할 수 있다고 합니다.
가장 최근에 과학자들은 발견했다 액체 금속 기반 복합재로, 부드러운 회로와 견고한 전기 부품 사이에 강력한 전기·기계적 연결을 가능하게 합니다. 연구진은 은과 공융 갈륨-인듐(EGaIn)을 포함한 전기 전도성 접착제인 E-CASE가 전자, 로봇공학 및 센서 분야에서 역할을 하기를 기대합니다.
따라서 연구자들이 도전 과제를 해결하고 기술을 정교화함에 따라 FlexRAM은 향후 이식형 전자기기, 소프트 로봇 및 뇌-기계 인터페이스 시스템에서도 활용될 수 있습니다.
첨가제 제조 기업
#1. Materialise
벨기에에 기반을 둔 3D 프린팅 서비스 제공업체는 자동차, 항공우주, 의료 등 다양한 산업에 서비스를 제공합니다. 최근 몇 달 동안 Materialise는 Ricoh USA와 협력해 3D 프린팅 해부 모델 사용을 촉진하고, Proponent와 함께 항공기 객실 솔루션을 3D 프린팅하며, Nikon SLM Solutions와 고급 빌드 프로세서를 개발하고, Ansys와 협력해 3D 프린팅 시뮬레이션을 간소화하는 등 여러 파트너십을 체결했습니다.
(MTLS )
시가총액 3억 2,900만 달러인 Materialise(MTLS:NASDAQ)의 주가는 현재 $5.57이며 연초 대비 15.16% 하락했습니다. 회사는 최근 12개월(TTM) 매출 $2억 7,200만, EPS $0.05, P/E 116.53을 기록했습니다. 3Q23 실적 보고서에서 전년 대비 총 매출이 3.2% 증가해 $6,360만이 되었으며, EBITDA는 55% 상승하고 순이익은 184% 증가해 $420만에 달했습니다.
#2. EOS GmbH
독일에 본사를 둔 EOS GmbH는 품질을 손상시키지 않으면서 정밀한 디테일을 생산할 수 있는 FDR 기술을 출시한 선도적인 산업용 3D 프린팅 제조업체입니다. 동시에 회사의 Smart Fusion은 지지 구조물을 없애고 비용을 낮추며 재료 사용을 최소화하고 후처리 요구사항을 감소시킵니다. 새로운 시스템은 생산 요구에 맞춰 확장 가능한 완전 자동화 솔루션을 추가로 제공합니다.
EOS GmbH와 Materialise 외에도 Stratasys, GE Additive, Desktop Metal, Formlabs, Renishaw와 같은 3D 프린팅 기업들이 액체 금속 램 상용화에 기여할 수 있습니다. 또한 Soft Robotics, Shadow Robot Company, Neuralink, CTRL-labs, BrainGate, Apple, Samsung 등은 이 새로운 저장 시스템 접근법으로 혜택을 받을 수 있습니다.
마무리
액체 금속 램이 거의 모든 변형을 견딜 수 있는 능력은 전자 디바이스의 밝은 미래를 약속하며 우리의 삶을 더욱 풍요롭게 합니다. 그러나 아직 초기 단계에 머물러 있어 상용화되기까지는 더 많은 연구와 작업이 필요합니다.
여기서 첨가제 제조는 맞춤형 설계와 다양한 부품의 통합을 개선하여 성능과 신뢰성을 향상시키는 핵심 역할을 할 수 있습니다. 또한 빠른 프로토타이핑을 가능하게 하여 연구자와 기업이 신속하게 개선하고 폐기물을 줄이며 확장성과 주문형 생산을 제공할 수 있습니다.
