태양전지 등 유기반도체시장 발전 기대 금속전극 대신 휘어지면서 투명한 그래핀을 전극으로 이용하고 광 스위칭 특성도 지닌 분자 메모리 소자가 국내 연구진에 의해 개발됐다. 이번 개발을 통해 기존 분자 메모리 소자의 경우 상부전극에는 그래핀을 적용했지만, 하부전극까지 그래핀을 적용한 것은 이번이 처음으로 소자로서의 제조효율이 높아 향후 휘어지는 유기 전자소자 등의 개발에 기여할 것으로 보인다. 성균관대학교 화학과 이효영 교수와 서소현 연구교수가 공동으로 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구자지원사업(창의적연구)의 지원으로 수행되었다. 내용은 Nature Communication 5월 28일자 온라인판에 게재되었다. 최근 실리콘 소자의 집적도 한계를 넘어, 다양한 기능을 가진 유기분자를 이용한 나노 크기의 분자소자로 개발하려는 연구가 활발하다. 하지만 기존 실리콘이나 금 같은 금속을 사용하는 분자소자의 경우 전극을 이루는 금속입자가 위에 놓인 유기분자막으로 침투할 수 있어 전도성을 잃는 등 제조효율이 낮았다. 또한 단단한 금속의 속성상 휘어지는 소자에 적용하기에도 어려움이 있었다. 이효영 교수 연구팀은 소자의 하부전극을 종이보다 10만배 이상 얇은 두께 1nm의 그래핀으로 대체함으로써, 투명성과 유연성은 물론 제조효율과 안정성이 크게 향상된 분자 메모리 소자를 개발했다. 단일층의 그래핀 박막을 유기분자막 위아래에 모두 배치함으로써 기존 금속입자의 침투로 인한 문제를 해결하였고 상하부전극 모두 그래핀으로 된 소자는 상부전극만 그래핀을 적용한 경우(10% 미만)보다 월등히 뛰어난 80% 이상의 제조효율을 나타냈다. 하부전극을 그래핀으로 교체할 수 있었던 것은 분자막과 그래핀 전극간의 상호보완적인 결합에 있다. 유기분자들은 아래에 놓인 그래핀 전극과 일정간격을 유지하면서 화학적으로 결합하는 한편 그래핀 전극은 위에 놓인 유기분자와 물리적으로 접촉하도록 한 것이다. 연구팀은 또한 빛에 의해 분자구조가 변하는 화합물을 유기분자막으로 이용하여 빛에 따라 전류의 흐름을 온/오프할 수 있는 광 스위칭 기능도 담았다. 이때 그래핀이 사이에 놓인 분자막의 휘어짐을 붙잡아줘 반복적인 광 스위칭에도 불구하고 물리적인 안정성을 유지한다는 사실을 실험을 통해 확인하였다. 이 교수는 “그래핀과 화학적 결합이 가능한 유기분자 소자는 공정이 쉽고 수율(收率)이 높으며, 다양한 기능을 가져 기존 실리콘과 금속 전극을 대체하여 향후 휘어지는 태양전지 및 투명전극체 등 새로운 유기반도체 소자 시장 개척에 크게 이바지할 것으로 기대된다.”고 밝혔다. www.skku.edu
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