▲ 이효영 성균관대학교 교수. 이효영 성균관대학교 교수

국내 연구진이 분자 메모리 소재로서 산화-환원 상태를 갖는 3~4nm(나노미터) 길이의 유기금속 단분자막을 직접 설계 및 합성해, 단분자막 비휘발성 분자메모리 소자를 제작 및 구현하는데 성공했다.

연구 결과는 화학분야의 세계적인 권위지인 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie)誌’ 10월1일자 인터넷판에 발표됐다. 특히 앙게반테 케미誌에 단분자막을 이용한 비휘발성 분자메모리 소자 구현의 가능성을 보여준 ‘잊을 수 없는 단분자막(An unforgettable monolayer)’으로 소개됐다.

분자전자소자는 현재 무기반도체 기술의 뒤를 이을 가능성이 있는 유망분야 중 하나로, 분자 설계와 합성이 가능할 뿐만 아니라, 소자로 응용될 경우 단위 면적당 초고밀도의 집적이 가능하다. 이 때문에 그동안 고분자를 이용한 연구는 많이 진행돼 왔으나 고분자의 한계인 상호간섭(cross-talk) 문제 등으로 학계에서는 집적화에 대한 근본적인 어려움을 갖고 있었다.

반면, 단분자막을 이용할 경우 집적화는 가능하나, 단분자막을 이용한 소자 제작에 있어서 가장 큰 어려움인 전극제작 시 금속 입자의 침투에 의한 전기단락(short) 현상으로 소자의 수득률 저하 등의 문제들이 발생하기 때문에 이러한 문제를 해결하기 위한 연구가 활발히 진행되어 왔다.

지금까지 단분자막을 이용한 분자메모리소자는 특히 상부 전극을 제작할 때 탄소나노튜브와 금속나노와이어 등을 이용하는 방법이 있다고 알려져 왔으나, 실용화와는 거리가 멀었다.

이효영 교수팀은 상부 금속전극제작 시 야기되는 문제점을 해결하기 위해, 전도성 유기 물질을 단분자막 유기금속화합물과 상부 금속전극 사이에 두어 전기단락 현상을 막았고, 단분자막 유기금속화합물에 알킬 체인을 늘려 전도성 물질의 침투를 막아 소자 효율을 크게 향상시켰다.

소자 제작을 위해 산화-환원 특성을 지니는 단분자막 유기금속분자의 양 말단에 길이가 다른 알킬체 분자를 삽입시킴으로써 자기조립박막을 형성시켜, 분자밀도를 높이고 전도성 고분자의 침투를 막아 소자의 수득률을 극대화하였다. 또한, 알킬 길이가 늘어남에 따라 소자의 수득률이 증가하고, 동시에 비휘발성 성질도 증가함을 확인했다.

이번 연구를 주도한 이효영 교수는 “메모리 시장을 지배하는 우리나라가 차세대 메모리 분야에서 계속 선두를 유지하기 위해서는 다양한 형태의 차세대 비휘발성 메모리 소자 개발에 연구를 집중시켜야 한다”고 역설하고, “이번 연구는 집적화가 가능한 단분자막을 이용한 분자 메모리 소자 구현에 대한 가능성을 확인한 최초 연구”라며 연구 의의를 설명하였다.

한편 이번 연구는 교육과학기술부와 한국연구재단이 추진하는 ‘리더연구자지원사업인 창의적연구사업의 지원을 받아 수행했다.