윤효재 고려대 화학과 교수팀, 세계 최초 분자 내 전압에 따라 나타나는 정류극성 반전 발견
윤효재 고려대 화학과 교수팀, 세계 최초 분자 내 전압에 따라 나타나는 정류극성 반전 발견
  • 복현명
  • 승인 2022.05.03 10:40
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윤효재(오른쪽) 고려대학교 이과대학 화학과 교수와 공규돈 박사, 변서은 석박사통합과정생. 사진=고려대.
윤효재(오른쪽) 고려대학교 이과대학 화학과 교수와 공규돈 박사, 변서은 석박사통합과정생. 사진=고려대.

[스마트경제=복현명 기자] 윤효재 고려대학교 이과대학 화학과 교수팀이 가해주는 전압의 크기에 따라 정류(rectification) 극성의 반전을 보이는 신개념 분자 다이오드 개발에 성공했다.

원자들이 모여 하나의 분자를 이루고 이 분자의 크기는 대개 1nm 내외이다. 1nm는 10억분의 1m에 해당하며 머리카락 두께의 약 10만분의 1에 해당할 정도로 매우 작다. 

오늘날 반도체 소자들에서 보이는 기능을 분자에서 구현할 수 있다면 반도체 집적도 문제가 새로운 방법으로 해결될지도 모른다. 이러한 가설은 1970년대부터 논의가 시작됐지만 여전히 해결해야 할 문제들이 많아 상상 속의 이야기로 여겨진다.

윤효재 고려대 교수 연구팀은 단분자 박막을 이용한 전자소자 연구를 수년간 진행하고 있다. 단분자 박막은 그 두께가 1nm 내외로 극도로 얇고 박막 제작 시 발생하는 결함구조들 때문에 박막에 가할 수 있는 전압(V)의 범위가 매우 좁다는 근본적인 한계가 있다. 

실제 단분자 박막을 이용해 무리없이 소자 작동을 구현하기 위해서는 1~1.2V 이내의 전압을 가해줘야 한다. 이보다 높은 전압을 가하면 쇼트(short)가 발생하여 전자소자가 영구적으로 손상된다. 

윤 교수 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 최근 ‘반복 치환법’이라는 신개념의 표면 초분자구조 제어법을 개발했다. 이 방법으로 제작된 단분자 박막은 결함 구조가 최소화되어 최대 3.5 V까지 견딜 수 있어서 기존에는 연구할 수 없었던 고전압에서의 분자전자소자 작동 메커니즘 연구가 가능하다.

다이오드는 전류를 한 방향으로 흐르게 하는 성능, 즉 정류(rectification) 특성을 보이는 반도체 소자이다. 

윤효재 교수 연구팀은 정류 특성을 보이는 ‘분자’ 다이오드를 ‘반복 치환법’을 이용해 단분자 박막으로 제작하고 ‘반복 치환법’ 덕분에 이전에는 도달할 수 없었던, 전례없이 높은 전압에서의 정류 특성을 분자 다이오드에서 연구할 수 있었다. 특히 낮은 전압에서는 (+) 정류 극성이, 높은 전압에서는 (-) 정류 극성으로 반전(inversion됨을 보이는 분자 다이오드를 세계 최초로 확인했다. 

이번 연구 결과는 가해주는 전압의 크기에 따라 정류 사라짐 및 극성 반전을 보이는 신개념 분자 다이오드를 개발하고 나아가 그 작동 메커니즘을 규명했다는 점에서 큰 의미가 있다.

한편 한국연구재단(차세대지능형반도체기술개발사업, 개인기초연구사업, 중점연구소지원사업)의 지원을 받아 수행한 이번 연구는 화학분야 권위 학술지인 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society)에 미국 현지시간 5월 2일자 온라인 게재됐다.

 

복현명 기자 hmbok@dailysmart.co.kr


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