나노기술 및 정책 정보

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윤효재 고려대학교 이과대학 화학과 교수팀이 금속 소재 개발에서 인류가 오랫동안 활용해온 ‘합금’개념을 유기나노소재에서 구현해 유기분자를 전자소자 개발에 사용할 수 있는 가능성을 높임. 이번 연구 결과는 세계적 학술지인 Nano Letters지에 4월 2일 실림.

사물 인터넷, 인공지능, 스마트기기, 자율주행 자동차 등의 4차 산업 기술들을 실현하기 위해서는 천문학적인 양의 데이터를 한꺼번에 처리할 수 있는 반도체 기술이 뒷받침되어야 함. 지난 수십 년간 글로벌 반도체 기업들은 고집적화를 위해 막대한 인력과 개발비를 투자했고 그 결과 오늘날 반도체 공정 기술은 한 두 자릿수 나노미터(nm)까지 발전함.

1nm 두께의 극도로 얇은 단분자 박막을 전극 표면에 형성할 때 불가피하게 발생하는 구조적 결함들은 단분자 박막이 높은 전압을 견디지 못하게 하는 주요 원인임. 따라서 분자 전자학 연구는 어쩔 수 없이 낮은 전압에서만 연구가 되며 높은 전압에서는 회로 단락(쇼트)을 일으켜 회복 불가능한 실패 소자가 됨.

합금(Alloy)은 인류의 역사와 함께한 오래된 소재 설계 개념임. 금속에 다른 금속 또는 원소를 합쳐서 얻는 금속 성질을 띤 물질을 총칭하며 원래의 금속과는 다른 특성을 지님. 고순도의 단일 금속은 일반적으로 강도와 경도가 좋지 않아 이를 보완하기 위하여 합금으로 만들어서 사용함. 오늘날 대부분의 금속 재료들은 합금의 형태를 띔.

윤효재 고려대 교수 연구팀은 합금을 통해 금속소재의 내구성을 향상시킨 사례에 주목함. 유기 단분자 박막에 합금 개념을 적용해 수 볼트 전압에서도 견딜 수 있게 한다면 상용화에 큰 걸림돌이 되는 분자전자소자의 저전압 구동 문제를 해결할 수 있을 것으로 기대함.

크기가 다른 두 금속 원자로 합금을 만들면 크기가 큰 원자 사이사이에 형성되는 빈 공간에 작은 원자가 채워짐으로써 단단한 틈새 합금(interstitial alloy)이 생성되는 원리를 단분자 박막에 적용함. 매트릭스(matrix) 분자와 보강(reinforcement) 분자를 반복적 분자 표면치환반응(ReSEM, Repeated Surface Exchange of Molecules)이라는 방법을 통해 섞어서 틈새 혼합 단분자 박막(interstitially mixed self-assembled monolayer; imSAM으로 명명)을 제작할 수 있음을 세계 최초로 밝힘.

전기화학, 분광학적 표면분석과 함께 장락우 서울시립대학교 화학과 교수 연구팀의 분자 동역학 계산을 통해 틈새 합금(interstitial alloy)과 유사한 개념이 단분자 박막에서 구현됨을 규명함.

이번 연구에서는 ReSEM을 통해 제작된 혼합 단분자층(imSAM)은 매트릭스 분자로만 이뤄진 순수 SAM 대비 전기적 안정성이 월등히 향상됨을 발견함. 이를 통해 기존에는 볼 수 없었던 고전압에서의 분자전자소자의 전기적 특성을 이해할 수 있는 새로운 가능성을 열었음.

한국연구재단(개인기초연구사업 및 중점연구소지원사업, 차세대지능형반도체기술개발사업), 한국과학기술정보연구원 지원을 받아 수행한 이번 연구는 미국학회에서 발간하는 나노 분야 권위 학술지인 Nano Letters에 4월 2일자 온라인 게재됨.