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분자 내 전압에 따라 나타나는 정류극성 반전 세계 최초 발견
  • 글쓴이 : 커뮤니케이션팀
  • 조회 : 966
  • 일 자 : 2022-05-03


분자 내 전압에 따라 나타나는 정류극성 반전 세계 최초 발견
윤효재 교수팀, 신개념 분자 다이오드 개발
Journal of the American Chemical Society 게재
초분자 제어기술로 전례없이 높은 전압을 견딜 수 있게 설계된 단분자박막으로부터 구현



왼쪽부터 공규돈 박사(제1저자, 고려대), 변서은 석박통합과정생(공동 제1저자, 고려대), 윤효재 교수(교신 저자, 고려대)

▲ 왼쪽부터 공규돈 박사(제1저자, 고려대), 변서은 석박통합과정생(공동 제1저자, 고려대), 윤효재 교수(교신 저자, 고려대)

 

 

 

 

이과대학 화학과 윤효재 교수팀은 가해주는 전압의 크기에 따라 정류(rectification) 극성의 반전을 보이는 신개념 분자 다이오드 개발에 성공했다.


한국연구재단(차세대지능형반도체기술개발사업, 개인기초연구사업, 중점연구소지원사업)의 지원을 받아 수행한 이번 연구는 화학분야 권위 학술지인 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society)에 5월 2일자 온라인 게재됐다.
- 공규돈 (고려대학교, 제1저자), 변서은 (고려대학교, 공동제1저자), 장지웅 (고려대학교, 공저자), 김정원 (한국표준과학연구원, 공저자), 윤효재 (고려대학교, 교신저자) 총 5명
- 논문명: Electronic Mechanism of In Situ Inversion of Rectification Polarity in Supramolecular Engineered Monolayer
- 논문게재지: 미국화학회지, Journal of the American Chemical Society (2022년 5월 2일 online published; https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c02391)

‘산업의 쌀’이라고도 불리는 반도체는 4차 산업에 없어서는 안 될 글로벌 필수재이다. 더불어 오늘날 반도체 산업은 국가 경제 및 안보에도 큰 부분을 차지한다. 이러한 이유로 미국과 중국을 비롯한 세계 각국은 반도체 패권을 장악하기 위해 거침없는 행보를 보이고 있다. 오늘날 반도체 기술의 핵심 도전과제 중 하나는 ‘고집적 회로’를 달성하는 것이다. ‘무어의 법칙(Moore's law)’은 반도체 집적회로의 성능이 24개월마다 2배씩 증가한다고 설명한다. 반도체 산업은 지난 수십년 간 무어의 법칙을 어느 정도 따르며 괄목할만한 성장을 했다. 그러나 이러한 반도체 기술 성장이 지속될지에 대하여 최근 회의적인 목소리가 커지고 있는 상황이다. 집적도 향상에 필요한 미세 공정 기술의 난이도가 날이 갈수록 높아지면서 더 이상 예전과 같은 집적도 향상을 기대하기 어려운 단계에 진입하고 있기 때문이다. 실제로 오늘날 반도체 산업은 전통적인 리소그래피 기술로는 집적도 향상이 어려운 단계에 봉착했다. 이를 해결하기 위해 국내외 반도체 회사들은 상당한 금액을 지불하면서도 확보가 쉽지 않은 극자외선(EUV) 리소그래피 장비에 크게 의존하고 있다.
 * 리소그래피: 미세하고 복잡한 전자회로를 반도체 기판에 그려 집적회로를 만드는 기술

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 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 이용하여 무리없이 소자 작동을 구현하기 위해서는 1~1.2V 이내의 전압을 가해줘야 한다. 이보다 높은 전압을 가하면 쇼트(short)가 발생하여 전자소자가 영구적으로 손상된다. 윤효재 교수 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위하여 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 제작했다.(그림 1) ‘반복 치환법’ 덕분에 이전에는 도달할 수 없었던, 전례없이 높은 전압에서의 정류 특성을 분자 다이오드에서 연구할 수 있었다. 1.0 V의 낮은 전압 영역에서는 + 전압(+V)에서 높은 전류가 흐르고, – 전압(-V)에서는 낮은 전류가 흐르는 (+) 극성의 정류가 강하게 보임을 확인했다. 전압을 2.0 V 근처까지 올리자 놀랍게도 정류가 완전히 사라짐을 확인했다. 전압을 더 올려 3.0 V를 넘어서자 –V에서의 전류가 +V에서의 전류보다 높아지며 (-) 극성의 정류가 새롭게 발생함을 확인했다(그림 1). 결국, 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.





그림설명
[그림설명] 전압에 따라 정류극성 변화를 보이는 분자 다이오드의 개념도. 






커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)