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  1. 2011.11.28 그래핀을 이용한 비휘발성 분자메모리

현재 메모리 시장을 주도하는 우리나라가 차세대 메모리 분야에서 지속적으로 우위를 선점하기 위해서는 다양한 형태의 차세대 비휘발성 메모리 소자개발이 중요합니다.

외부 환경에 안정적이면서 전도성이 뛰어난 그래핀을 이용한 메모리 소자는 향후 무기반도체기술의 뒤를 이을 차세대 메모리 소자입니다.

그래핀 소자는 단위 면적당 초고밀도 집적이 가능하고, 다양한 물질(유기 화합물, 고분자, 금속)을 이용해 응용할 수 있어, 최근 세계 연구자들이 그래핀을 이용한 다양한 메모리 소자를 개발하기 위해 노력하고 있습니다.

전도성이 뛰어나면서도 용액공정이 가능한 환원산화그래핀의 얇은 막을 활용한 비휘발성 분자 메모리 소자가 개발됐습니다.

성균관대 이효영 교수팀은 용액공정이 가능한 환원산화그래핀 전극막을 활용하여 불과 5나노미터 이하 두께의 단분자막을 기반으로 한 소자로서, 거의 100%의 수득률을 나타내면서도 메모리 소자 이외에 여러 가지 기능성을 갖는 분자막 소자(다이오드, 전도성 분자와이어 등)에도 다양하게 적용할 수 있습니다.

연구팀이 개발한 소자는 환원산화그래핀 층이 상부전극금속 나노입자가 단분자막으로 침투하려는 것을 막아, 금속전극만 사용할 경우 10%미만이었던 소자의 수득률을 월등히 향상시켰습니다.

또한 환원산화그래핀 층이 화학적으로 안정하며 투명하고 전기전도성도 높기 때문에 다양한 기능성 분자 소자(광센서, 바이오센서)를 쉽게 제작할 수 있는 특징이 있습니다.
<환원산화그래핀/단분자막으로 구성된 유기전극, 저항, 혹은 메모리 등 다양한 분자소자에 적용 가능하다.>
 
a) 유기 단분자막 없는 환원그래핀옥사이드의 소자와 그의 전기적인 특성,
b) 메모리 특성을 갖고 있지 않은 유기 단분자막을 이용한 비교 실험, 전기적인 특성이 그림 (a)와 동일하다.
c) 메모리 특성을 갖고 있는 유기 단분자막과 환원그래핀옥사이드 로 이루어진 메모리 소자, 확실한 메모리 특성이 나타나고 있다.
<비휘발성 메모리 효과>
 환원산화그래핀/유기전위금속화합물 단분자막 소자의 on/off 성능이 뛰어나고 안정성이 지속적으로 유지 되는 것을 볼 수 있다.

이번 연구 결과는 화학 분야의 권위 있는 학술지인 독일의 '앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)'지 온라인 속보(11월 16일)에 게재되었습니다. 
(논문명 : Solution-Processed Reduced Graphene Oxide Films as Electronic Contacts for Molecular Monolayer Junctions)

 용  어  설  명

용액공정 :
용액상태로 녹아있는 물질을 이용한 공정

환원산화그래핀(Reduced Graphene Oxide) :
그래파이트(흑연)를 산화시켜 만든 그래핀옥사이드를 환원한 용액으로, 그래핀과 같이 높은 전기전도성과 전하이동도를 갖고, 대량생산과 용액제조가 가능함.
그래파이트를 산화시켜 만든 산화그래핀을 환원하여 그래핀과 같은 전기적 특징을 나타냄. 근본적으로 육각형 구조로 탄소와 탄소 간 공액 결합으로 연결되어 있는 하나의 층으로 이루어졌으며,  높은 전도성 및 전하 이동도를 갖고 있으며 대량 생산 및 용액제조가 가능

비휘발성 분자 메모리 소자 :
분자를 이용한 비휘발성 메모리 소자로서, 전원이 공급되지 않아도 저장된 정보를 계속 유지하는 컴퓨터나 스마트폰 메모리
 
수득률(收得率) :
원료물질로부터 화학적 과정을 거쳐 목적물질을 얻는 경우에 실제 얻은 양의 이론 양에 대한 비율
 <연 구 개 요>

본 연구는 단분자막을 기반으로 하는 분자전자소자 제작에 있어서 제작과정에서 발생하는 분자의 화학적, 전기적 특성 저하 및 수득률 소실을 개선하고자 하는 게 주목적이다.

단분자막 분자 전자 기술은 전자 소자의 소형화 구현이라는 목적 하에 신뢰할만한 분자전자 소자를 만들기 위한 연구가 진행되어 왔다.
그러나 분자의 기능성을 소실하지 않고 소자를 구현하기 위하여 제작과정에서 발생하는 분자 층의 보호가 절실하였다. 소자의 구조를 살피면, 분자층이 두 전극 사이에 위치하도록 하여 기능성 분자(전기화학적 활성인 메모리 소자, 전도성 분자 와이어, 그리고 분자 저항소자)의 전기적 특성이 전극경계면에서 소실되지 않도록 하는 것이 중요하다.
그러나 분자층이 수 나노미터(2-3 나노미터)로 얇아서 전극을 형성하는 과정에서 발생하는 금속 알갱이들에 의한 분자층의 파괴로 인하여 소자의 수득률이 10% 미만으로 매우 낮았다.

그리하여 본 연구에서는 전극과 분자층 사이, 특히 분자층 위에 형성하는 상부 전극과의 경계면에 뛰어난 전도성 층을 형성할 수 있으며, 분자층을 보호할 수 있는 수 나노층의 환원산화그래핀 층을 도입하였다. 그 결과 환원산화그래핀가 10나노미터 수준의 얇고 전도성이 뛰어난 전도성 유기막을 형성할 수 있고 단순 저항체로서의 분자층뿐만 아니라 분자메모리기능성 분자층에 이르기까지 분자의 기능성에 전혀 손실이 없고 거의 100%에 가까운 소자 수득률을 보장할 수 있었다.

환원산화그래핀는 용액형태로 간단한 스핀코팅 방법으로 나노층의 안정한 막을 형성할 수 있으며 금 전극과 탄소화합물인 분자층과의 경계면에서 전기적 소실이 매우 적어서 기존에 소개된 단분자막 분자전자소자에 적용 가능한 전도성 유기층(전도성 폴리머, 탄소나노튜브, 그리고 그래핀) 물질들이 갖는 약점인 저전도성, 제작과정에서의 오염 및 분자층의 소실 우려 등을 배제할 수 있다.
뿐만 아니라 환원산화그래핀를 도입한 분자전자소자는 분자의 기능성에 대한 뛰어난 분별력을 보여줌으로써 상업적으로도 다양한 기능성 분자전자 소재에 광범위하게 적용 가능할 것으로 판단된다.

이효영 교수(가장 오른쪽), 서소현 박사(제1저자, 가운데), 민미숙 박사과정생(제2저자, 가장 왼쪽) 등이 실험결과를 분석하고 있다.

posted by 글쓴이 과학이야기

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