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분자전자소자(molecular electronics)는 분자 크기가 수 나노미터 미만으로 매우 작고 자기조립공정이 가능하여, 고집적이면서도 저렴한 전자소자를 만들 수 있어 세계적으로 활발히 연구되고 있습니다.

그러나 지금까지 알려진 분자전자소자는 대부분 실리콘 등 딱딱한 기판 위에서 만들기 때문에 자유자재로 휘어질 수  없었습니다.

반면 기존의 휘어지는 유기전자소자(organic electronics)는 두께가 수 마이크로로 상대적으로 두꺼운 것이 단점이었습니다.

서울대 이탁희 교수팀이 자기조립단분자막을 이용해 극심하게 휘어져도 기능과 성능이 모두 안정한 초박막 분자전자소자를 제작했습니다.

이번 연구는 나노크기의 매우 얇은 단일 분자를 이용해 자유자재로 휘어질 수 있는 유연한 분자전자소자를 개발할 수 있는 가능성을 제시한 것입니다.

이에 따라 향후 휴대용 기기 뿐만 아니라 다양한 전자소자에서 매우 가볍고 쉽게 휘어질 수 있는 초소형 전자소자가 개발될 전망입니다.

연구팀은 박막 두께가 1~2나노미터인 자기조립단분자막을 휘어지는 플라스틱 기판 위에 전자소자로 제작하는데 성공했습니다.

특히 이 교수팀의 나노 크기의 휘어지는 유기전자소자는 반복적인 휨 현상이나 다양하게 휘어진 환경에서도 전기적 전도 특성이 안정적으로 제어됐습니다.

또 점차적으로 휘거나, 매우 심하게 혹은 다양한 형상의 휨 환경에서도 안정적이고, 1000회 이상의 반복적인 휨 테스트에서도 고유의 상태를 유지했습니다.

이탁희 교수는 지난 2009년에도 단일 분자 한 개가 트랜지스터 소자로 작동될 수 있음을 세계 최고 권위지 '네이처'에 발표하였는데, 이번 연구는 이러한 분자소자가 플렉시블한 환경에서도 정상적으로 구동될 수 있음을 검증한 연구결과입니다.

이번 연구는 이탁희 교수가 주도하고, 박성준 박사과정생(광주과기원), 왕건욱 연구원, 윤명한 교수(광주과기원) 등이 참여했습니다.

연구결과는 'Nature Nanotechnology ' 7월 4일자에 게재되었습니다.
(논문명 : Flexible molecular-scale electronic devices)

<연 구 개 요>

Flexible molecular-scale electronic devices
Sungjun Park, Gunuk Wang, Byungjin Cho, Yonghun Kim, Sunghoon Song, Yongsung Ji, Myung-Han Yoon, and Takhee Lee
(Nature Nanotechnology, 2012. 7. 4. 출판)

1. 배경

분자전자소자(molecular electronics) 분야는, 단일 분자를 이용하거나, 소자의 중심 역할을 하는 활성층이 단 분자 단위로 만들어진 분자박막을 이용한 전자소자에 대한 연구 분야이다.
분자전자소자가 폴리머(polymer) 물질을 기본으로 하는 유기전자소자(organic electronics)와의 차별 점은 분자전자소자의 경우는 단일 분자 단위를 갖는 방향으로 전기장이 가해지므로 분자 내의 분자 궤도에 영향을 주어 분자의 특성을 변화시키고 이를 이용한 소자의 구동이 가능하다는 점이다.
그리고 분자를 이용할 경우, 그 크기와 기능면에서 대량 공정과 소자의 집적화의 부분에서 기존의 반도체 소자에 비해 유리한 장점이 있다.
현재까지 분자전자소자 연구는, 단단한 기판 위(예를 들어, 실리콘 기판)에서의 제작 공정을 거쳐, 전기적 신호의 분석을 통해 물성에 대한 이해와  이론을 바탕으로 다양한 소자로의 적용에 대한 연구가 진행되어 왔다.
하지만, 본 연구진은 이러한 전통적인 연구 관점에서 벗어나, 유기 물질의 유연한 물리적 특성을 이용하여, 2 nm 정도의 두께를 가지는 초박막 단분자박막을 이용한 분자전자소자를 제작하였다.
그리고 제작된 분자전자소자의 다양한 구부러진 상태에서의 전하수송 특성 및 그 메커니즘을 규명하였으며, 나아가 유연전자소자(flexible electronics) 연구 분야에 무한한 접목 가능성과 연구적 가치의 중요성을 제시하였다.

2. 연구결과

유연한 분자전자소자의 모식도

그림 a. 실험에 사용된 유연한 분자전자소자 개략도 (아래부터 위 순서로, 플라스틱 기판, 하부 전극 (Au/Ti), 감광제 (photo-resistor), 전도성 고분자, 상부 전극 (Au))
그림 b. 실제 실험에 사용된 유연한 분자전자소자 사진 (총 512 개의 소자가 있음)

그림 1(a) 는 유연한 분자전자소자 개략도를 보여준다. 소자의 제작공정은 아래의 표 1처럼 유연한 분자전자소자 제작 공정에 설명되어 있다. 총 512개의 소자가 가로 3 cm × 세로 3 cm 크기의 플렉시블 기판에 만들어 졌으며 그림 1(b)에 실제 소자 사진이 포함되어 있다.

유연한 분자소자의 휨 상태에서의 전하수송 특성

그림 a. 소자가 인장(tensile)응력을 받았을 때의 이미지
그림 b. 점차적인 인장응력을 받았을 때의 전류 값을 도시하였음
       (0.6 V~1.0 V 범위에서 의 각 포인트 전류 값을 도시)
그림 c. 5 mm 의 인장응력의 휨 반경 상태에서의 저온 측정 데이터
그림 d. 소자가 압축(compressive)응력을 받았을 때의 이미지
그림 e. 점차적인 압축응력을 받았을 때의 전류 값을 도시하였음.
       다시 회복 시, 전류 값의 변화가 없음이 보임.
       (0.6 V~1.0 V 범위에서 의 각 포인트 전류 값을 도시)
그림 f. 5 mm 의 압축 응력의 휨 반경 상태에서의 저온 측정 데이터

그림 2는 분자 소자의 bending test에 대한 데이터이다.
분자 소자가 인장 또는 압축 응력을 받았을 때의 전기적 신호를, 분석을 통하여 소자의 휨 환경에서의 안정성을 규명 하였다.
구부러진 상태에서 온도 변화에 따른 전기 신호를 분석함으로써, 분자의 전자 전달 경로(tunnelling)가 구부러진 상태에서도 유지됨을 알 수 있다.

다양한 휨 상태에서의 분자 소자의 안정성

그림 a. 이쑤시개에 걸쳐져 있는 상태에서의 소자 특성 (-0.8 V 와 0.8 V의 구간 측정)
그림 b. 소자를 특정 각도에 따라 꼬았을 때의 전류 값에 대한 데이터
그림 c. 유리막대 위 나선형으로 감겨진 분자 소자의 실제 이미지

그림 3으로부터, 매우 극심한 환경이나 다양한 휨 환경에서의 소자 안정성을 확인 할 수 있다.
그림 3(a)에서 볼 수 있듯이 아주 작은 이쑤시개에 감겨진 상태에서도 약 10,000 초(약 2시간 30분) 동안 소자의 성능 저하는 볼 수 없었으며, 그림 3(b)에서 한 축을 돌리거나(각도 > 35°), 혹은 그림 3(c)에서처럼 유리 막대에 사선 형으로 감겨져 있는 상태에서도 소자의 성능은 꾸준한 견고함을 보여 주었다.

 

 용  어  설  명

분자전자소자 (Molecular electronics)
분자전자소자는 분자 크기의 다양한 기능성 소재를 전자소자의 핵심적인 구성요소로 사용한다는 개념으로, 주로 분자소자의 제작과 전하수송 특성을 연구하는 과학기술분야이다. 분자 고유의 크기가 보통 수 나노미터(nm) 이하로 매우 작고, 자기 조립에 의한 상향식 공정이 가능하여, 고집적 저비용의 전자소자를 제조할 수 있다. 이러한 장점으로 인해 기존의 실리콘 반도체 소자들이 가지는 집적도의 한계를 보완할 수 있어 미래 핵심기술로 평가 받고 있으며, 세계 일류 대학들과 연구기관들이 이 분야에 대해 활발히 연구하고 있다.

자기조립단분자 박막 (Self-assembled monolayer)
자유로운 계(system) 내에서 용액 내 분자가 촉매 혹은 이동을 위한 특정 에너지의 주입이 없이, 자발적으로 상호작용을 통해 다른 물질과 접합이 되는 현상을 의미한다. 접합 하는 과정에 있어서, 용액 내에 있던 비방향성으로 움직이는 분자들은 짧은 범위의 반경 내에서 정렬을 일으키며 접합을 하며, 위 과정에서 자유에너지가 낮아지고, 평형 상태로 존재 하게 된다.

그림 a. 용액 내 존재하는 분자들의 박막 금속 위에서 자가 조립되는 원리 개략도그림 b. 금속 전극 사이에 자기조립된 단분자 박막 모식도.

 

<원문보기>

Flexible molecular-scale electronic devices(요약)

Flexible molecular-scale electronic devices(원문)

<이탁희 교수>

1. 인적사항

 ○ 소 속 : 서울대학교 물리천문학부(물리학)

2. 학력
  ○ 1992 :  서울대학교 물리학 학사
  ○ 1994 :  서울대학교 물리학 석사
  ○ 2000 :  미국 퍼듀대학교 물리학 박사

3. 경력사항
○ 2000년 ~ 2004년 : 미국 예일대학교 박사후연구원
○ 2004년 ~ 2011년 :  광주과학기술원 신소재공학과 조교수/부교수/교수
○ 2011년 ~현재 : 서울대학교 물리천문학부(물리학전공) 부교수
○ 2007년 ~ 2012년 6월 : 교과부?연구재단 중견연구자(도약연구) 연구책임자
○ 2012년 5월 ~ 현재 : 교과부?연구재단 리더연구자(창의적연구) 연구책임자

4. 주요연구업적
○ 연구 분야 :
- 분자전자소자
- 유기물 기반 메모리 소자
- 반도체 나노와이어 기반 전자소자 및 그래핀 전극 기반 광전자 소자

○ 주요 연구업적 :
1.  Hyunwook Song et al. "Observation of Molecular Orbital Gating", Nature 462, 1039-1043 (2009) (issue of December 24, 2009).
2.  Gunuk Wang et al. "New approach for molecular electronic junctions with multi-layer graphene electrode", Advanced Materials, 23, 755 (2011). Cover Picture Article.
3.  Sangchul Lee et al. "Enhanced Charge Injection in Pentacene Field Effect Transistors with Graphene Electrodes ", Advanced Materials, 23, 100 (2011).
4.  Yongsung Ji et al. "Stable switching characteristics of organic non-volatile memory on a bent flexible substrate", Advanced Materials, 22, 3071 (2010). Cover Picture Article.
5.  Byungjin Cho et al. "Rewritable Switching of One Diode?One Resistor Nonvolatile Organic Memory Devices", Advanced Materials, 22, 1228 (2010). Cover Picture Article.
6.  Sunghoon Song et al. "Three-dimensional integration of organic resistive memory devices", Advanced Materials, 22, 5048-5052 (2010). Cover Picture Article.
7.  Gunho Jo et al. "Hybrid Complementary Logic Circuits of One-Dimensional Nanomaterials with Adjustment of Operation Voltage", Advanced Materials, 21, 2156 (2009). Cover Picture Article
8.  Gunuk Wang et al. "Enhancement of field emission transport by molecular tilt configuration in metal-molecule-metal junction", J. Am. Chem. Soc. 131, 5980 (2009).
9.  Woong-Ki Hong et al. "Tunable Electronic Transport Characteristics of Surface Architecture-Controlled ZnO Nanowire Field Effect Transistors", Nano Lett. 8, 950 (2008) and about 140 more papers.

* Detailed publication list can be found at http://mnelab.com

<박성준 박사과정생>

1. 인적사항

 ○ 소 속 : 광주과학기술원 신소재공학과

2. 학력
 ○ 2010년 : 아주대학교 신소재공학 학사
 ○ 2011년 : 광주과학기술원 신소재공학과 석사
 ○ 2011년 ~ 현재 : 광주과학기술원 신소재공학과 박사과정
   
3. 주요발표논문 (Selected journal articles)    
1. Sungjun Park, Gunuk Wang, Byungjin Cho, Yonghun Kim, Sunghoon Song, Yongsung Ji, Myung-Han Yoon & Takhee Lee, "Flexible molecular-scale electronic devices", Nature Nanotechnology (2012)
2. Jun-seok Yeo, Jin-Mun Yun, Dong-Yu Kim, Sungjun Park, Seok-Soon Kim, Myung-Han Yoon, Tae-Wook Kim, and Seok-In Na, "Significant Vertical Phase Separation in Solvent-Vapor-Annealed Poly(3,4-ethylenedioxythiop hene):Poly(styrene sulfonate) Composite Films Leading to Better Conductivity and Work Function for High-Performance Indium Tin Oxide-Free Optoelectronics" ACS Appl. Mater. Interfaces (2012) Online publised.
3. Gunuk Wang, Seok-In Na, Tae-Wook Kim, Yonghun Kim, Sungjun Park, and Takhee Lee, "Effect of PEDOT:PSS-molecule interface on the charge transport characteristics of the large-area molecular electronic junctions", Organic Electronics 13, 771  (2012).

 

posted by 글쓴이 과학이야기

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‘3차원 적층형 비휘발성 유기물 저항 변화 메모리 소자’가 국내 연구진에 의해 개발되었습니다.

3차원 적층형 유기 메모리 소자 모식도



유기 저항 변화 메모리 소자(Organic Resistive memory device)는  유기 소재를 이용한 메모리 소자로서, 제조 가격이 저렴하고 제작 기술이 간단하며 또한 저온 공정과 구부러지는 플라스틱(flexible plastic) 제품에 적용할 수 있어 현재 많은 연구가 진행되고 있습니다.

비휘발성 유기 저항 변화형 메모리의 대표적인 전류-전압 (I-V) 곡선.(a)-(c) 1, 2, 3 층에서 선택된 메모리 셀에서의 대표적인 전류-전압(I-V) 곡선. 내부 그림의 빨간색은 각 층에서의 메모리 셀 위치를 나타냄.



상하부 전극사이의 유기 소재가 인가된 전압에 따라 서로 다른 두 가지의 저항상태인 고 저항 상태(High resistance state)와 저 저항 상태(Low resistance state)를 가지고, 이러한 저항 상태가 외부의 전원 없이 유지되기 때문에 차세대 비휘발성 메모리 소자의 하나로 각광받고 있습니다.


지금까지 세계의 연구자들은 실리콘 등 무기물을 활용한 비휘발성 메모리 소자의 집적화를 극대화하고자 3차원 적층구조를 연구해왔습니다.

유기물을 사용하면 제작 과정이 간단하고 비용도 저렴하면서 자유자재로 휘어지는 메모리 소자를 구현할 수 있기 때문에, 세계적인 연구팀들은 유기물을 이용한 3차원 적층형 메모리 소자 연구에 집중했는데요.

 그러나 유기물을 소재로 한 비휘발성 메모리 소자를 3차원 적층으로 공정하면, 위층 유기물 용매가 아래층으로 혼합되어 층간을 구분할 수 없어지기 때문에 고집적 적층 유기 메모리 소자를 개발하는 데에는 한계가 있었습니다.
 

이를 광주과학기술원 이탁희 교수팀이 기존의 무기물을 활용한 방법보다 공정이 간단하고 비용도 저렴한 차세대 고집적 반도체 메모리 소자를 개발한 것입니다.

이탁희 교수

송성훈 박사과정생



3차원으로 적층된 유기물 저항 변화 메모리 소자의 모식도.(a) 8 ☓ 8 크로스바 형태로 3차원 적층된 유기물 저항 변화 메모리 소자 구조 개념도. 전체 192개의 메모리 셀이(오렌지색) 제작됨. (b) 투과전자현미경을 통해 본 3차원 적층 구조의 메모리 소자 수직절단면 이미지 (c) 메모리 소자로 사용된 유기물의 분자구조식



이 교수팀은 경화(curing) 공정이 가능한 유기물 소재(폴리이미드와 버키볼 풀러린 유도체 분자)를 혼합한 유기물을 사용, 데이터 지우기와 쓰기가 가능한 3차원 적층 형태를 갖춘 유기물 비휘발성 메모리 소자를 구현했습니다.

8 ☓ 8 어레이 타입의 3차원 적층된 메모리 소자의 통계적 분석.(a) 3차원으로 적층된 메모리 삽화(left part) 및 각 층에서 동작하는 메모리 셀(빨간색)과 동작하지 않는 메모리 셀(검정색) 분포도 (right part)(b) 160개의 동작하는 메모리 셀을 바탕으로 on state 와 off state 전류값의 분포 분석 (c) 메모리 동작을 위한 각 층의 문턱전압의 분포 비교


이번 연구결과는 재료공학분야에서 권위 있는 학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼즈 (Advanced Materials)’ 제22권 제44호(2010년 11월 24일) 표지논문에 게재됐습니다.

이탁희 교수팀은 최근 2년간 하이브리드 유기 메모리 소자와 휘어지는 유기 메모리 소자 연구로, 이 학술지에 무려 네 차례나 표지논문으로 선정되는 영예를 얻었습니다.

3차원으로 적층된 각 층의 메모리 성능 평가 및 비교(a) 쓰기-읽기-지우기-읽기(Write-Read-Erase-Read) cycle 테스트. 펄스(Pulse) 형태의 전압을 연속적으로 인가하였을 때, 그에 대응하는 On/Off의 전류값 반복 사이클 곡선(b) 각 층의 메모리 셀의 DC 전압에 의한 메모리 내구성(c) 각 층의 메모리 셀의 시간에 따른 비휘발성 정보유지 능력



posted by 글쓴이 과학이야기

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