KAIST(총장 신성철)는 김용훈 EEWS 대학원 교수 연구팀이 10년간 나노분야 주요 난제로 남아있던 단일분자 전자소자의 금속전극-분자 계면 원자 구조와 소자특성 간 상관관계를 규명했다고 4일 밝혔다.

단일분자 전자소자는 유기발광다이오드(OLED) 등을 통해 알려진 유기소자로 2003년 미국에서 처음 구현됐다. 분자전자소자(molecular electronics)는 차세대 반도체 소자의 후보군으로 관련 연구가 활발하다.

분자를 전자소자로 활용하기 위해서는 분자, 전극, 접합의 원자구조가 구체적으로 어떻게 형성돼 있는지 원자 수준의 이해가 필요하다.

하지만 원자구조를 직접적으로 관찰을 하는 것은 현재의 실험 기술로는 불가능해 명확히 이해가 안 되고 있던 상황이었다.

2006년 미국 애리조나 대학의 타오 교수 연구팀이 간단한 원자구조를 가지면서 한 종류의 분자에서 여러개의 전류 값이 나올 수 있음을 규명했다. 그러나 전류 값의 크기와 개수, 원인은 명확히 밝혀지지 않았다.

이처럼 10년 이상된 난제를 해결하기 위해 한-일 공동연구팀이 이론과 실험을 공동으로 진행했다.

김 교수 연구팀은 주사탐침현미경을 활용해 단분자 소자가 구현되는 과정을 슈퍼컴퓨터로 재현했다. 전극과 분자 접합 배위수 조합으로 단분자 소자 모델을 만들어 전극간 거리를 조절하면서 변화를 관찰했다.

그결과 분자와 금속 간 결합시 원자구조 배위수에 따라 금속전극 사이에서 전류값이 변하는 것을 확인했다. 또 분자가 당겨질 때 단순히 금속과 분자 사이 결합이 끊어지는 것이 아니라 금속전극의 원자구조가 쉽게 변형돼 금속과 금속 사이의 결합이 끊어지는 것을 규명했다.

일본 오사카 대학의 카와이(T, Kawai) 교수가 이끄는 실험 공동연구팀은 위와 같은 김 교수의 이론을 뒷받침하기 위해 소자 인장에 따른 전류의 증가를 포함하는 실험을 수행했다.

이처럼 한일 공동연구팀은 슈퍼컴퓨터를 이용한 제1원리 계산과 첨단 나노소자 제조와 측정을 통해 유기 소자의 계면 특성을 원자 수준에서 성공적으로 규명했다. 나노과학-나노기술 분야에서 10년 이상 풀리지 않던 난제를 해결한 셈이다.

이번 성과는 향후 OLED, 바이오센서, 유기태양전지 등 다양한 유기소자 분야에 활용 가능할 것으로 전망된다.

김 교수는 "이번 연구는 나노 분야에서 이론 연구가 실험을 선도하는 역할을 성공적으로 수행함을 보여주는 예가 될 것"이라고 말했다.

이번 연구는 미래창조과학부의 중견연구자지원사업, 글로벌프론티어사업, 나노소재기술사업과 KISTI 슈퍼컴퓨터의 지원을 받아 수행됐다. 성과는 '미국 화학회지(Journal of the American Chemical Society)' 지난달 21일자에 게재됐다.