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토호쿠(東北)대학 대학원, 사이타마(埼玉)대학의 공동 연구 그룹이 비평면형의 완곡한 보울(bowl)형 공액 분자인 ‘trithiasumanene 유도체’를 이용, 고체 상태에서의 보울형 분자의 ‘보울 반전 현상’에 의한 쌍극자 모멘트의 스위칭을 통한 유기 강유전체 제작에 성공함.

기존 기록 밀도의 한계를 뛰어넘는 고밀도 메모리를 실현하기 위해서는 분자 수준에서 디자인된 새로운 물질을 개발하는 것이 중요함. 보울형 분자는 분자의 내부와 외부(앞면과 뒷면)의 구별이 가능하고, 외부 전장을 인가하면 분자 표리가 반전됨. 이와 같이 분자의 겉과 속으로부터 기원되는 비대칭성을 부여할 수 있어 분자의 쌍극자 모멘트의 반전을 이용한 새로운 동작 원리에 기반한 분자 메모리의 개발에 사용할 수 있음을 입증함.

연구진은 ‘그릇의 모양이 반전할 수 있는 독특한 분자’를 이용했으며, 분자의 보울 부분에 ‘π 공역 골격’을 이용함. 3개의 유황원자를 도입한 ‘trithiasumanene 유도체’에 착안, 보울의 깊이를 더 얕게 함으로써 보다 작은 외부 에너지(전장 E) 인가로 보울 반전을 고체 상태에서 가능하게 하는 데 성공함.

결정 중에서의 분자 배열과 열 운동을 제어하기 위해 6개의 알킬 측쇄를 도입한 분자(CnSS)를 합성하고 그 상전이 거동·분자 배열 양식·강유전체 물성을 평가한 바, 새롭게 합성된 분자 CnSS이 강유전체로서 행동하는 것을 실험적으로 확인함. 1nm 이하의 크기를 가지며, 화학적 설계 자유도가 높은 유기 분자의 특징을 최대한 이용하여 고밀도·비휘발성 강유전체 메모리를 제작할 수 있음. 완곡한 π 공역 화합물의 앞면과 뒷면을 이용하는 것은 외부 전장에 의한 스위칭이 가능한, 전례 없는 강유전체의 분극 구조의 발생 메커니즘임. 이는 디바이스 구조의 계면 분극 제어 기술도 사용할 수 있는 중요한 기술임.

유기 분자의 경우 발광 특성과 전도성 등의 새로운 기능의 추가가 가능해 진다는 점에서, 다양한 외장에 단계적으로 응답할 수 있는 다중 메모리 재료가 개발될 수 있을 것으로 기대됨.

본 연구 성과는 Nature Communications(Ferroelectric Columnar Assemblies from the Bowl-to-Bowl Inversion of Aromatic Cores)에 게재됨.