[국내②] 용액 공정 그래핀 전극막 비휘발성 분자 메모리 소자 개발, 자유자재로 휘는 모니터, 컴퓨터, 태양전지 등에 응용

우리나라 연구진이 전도성이 뛰어나면서 용액 공정이 가능한 환원 산화 그래핀의 얇은 막을 활용한 비휘발성 분자 메모리 소자를 개발했다. 환원 산화 그래핀은 그래파이트Graphite(흑연)를 산화시켜 만든 그래핀 옥사이드를 환원한 용액이다. 그래핀과 같이 전기 전도성과 전하 이동도가 높으며, 대량 생산과 용액공정이 가능하다. 연구는 이효영 성균관대 교수가 주도했으며, 결과는 화학 분야 권위지인 독일의《앙게반테 케미Angewandte Chemie》온라인판에 게재됐다.

이효영 교수팀이 개발한 소자는 용액 공정이 가능한 환원 산화 그래핀 전극막을 활용해 불과 5나노미터 이하 두께 단분자막을 기반으로 한다. 100%에 가까운 수득률收得겂을 나타내며, 메모리 소자뿐만 아니라 여러 가지 기능성을 갖는 분자막 소자(다이오드, 전도성 분자 와이어 등)에도 적용할 수 있다. 향후 무기 반도체를 이을 차세대 메모리 소자다. 최근 세계적으로 단위 면적당 초고밀도 집적과 다양한 물질(유기 화합물, 고분자, 금속)에 응용할 수 있는 그래핀을 이용한 여러 메모리 소자 개발에 한창이다.
이 교수팀이 개발한 소자는 환원 산화 그래핀층을 이용해 상부 전극 금속 나노 입자가 단분자막으로 침투하려는 것을 막음으로써 금속 전극만 사용할 때 10% 미만이던 소자의 수득률을 월등히 향상시켰다. 또한, 환원 산화 그래핀층은 안정성, 투명성, 전도성이 높기에 다양한 기능성 분자 소자(광센서, 바이오센서)를 제작하기 쉽다.
이 교수는 "현재 메모리 시장을 주도하는 우리나라가 차세대 메모리 분야에서 지속적으로 우위를 선점하려면, 다양한 형태의 차세대 비휘발성 메모리 소자 개발이 중요하다"면서, "이 연구는 환원 산화 그래핀 용액을 이용하기에 제작하기 쉽고 수득률도 높아 자유자재로 휘어지는 모니터, 컴퓨터, 태양전지 등에 응용할 수 있을 것이다"라고 연구 의의를 밝혔다.

기능성 분자 전자 소재에 광범위하게 적용
연구는 단분자막을 기반으로 하는 분자 전자 소자 제작 과정에서 발생하는 분자의 화학적·전기적 특성 저하와 수득률 소실을 개선하는 것이 주목적이었다. 전자 소자의 소형화를 구현하고자 신뢰할 만한 분자 전자 소자를 만들기 위한 연구를 진행해 왔다. 그러나 분자의 기능성을 유지한 채 소자를 구현하려면 제작 과정에서 분자층 보호가 절실했다.
이를 위해 분자층을 두 전극 사이에 위치시켜 기능성 분자(전기 화학적 활성 메모리 소자, 전도성 분자 와이어, 분자 저항 소자)의 전기적 특성을 전극 경계면에 유지해야 한다. 그러나 분자층이 2∼3나노미터로 얇아 전극을 형성하는 과정에서 발생하는 금속 알갱이들이 분자층을 파괴함으로써 소자의 수득률은 10% 미만으로 매우 낮았다. 따라서 전극과 분자층 사이, 특히 분자층 위 상부 전극 경계면에 뛰어난 전도성 층을 형성하고, 분자층을 보호하는 환원 산화 그래핀층을 도입했다. 그 결과 환원산화 그래핀이 10나노미터 정도로 얇고, 전도성 유기막을 형성하며, 분자층의 기능성을 보존해 거의 100%에 가까운 소자 수득률을 나타냈다.
환원 산화 그래핀은 용액 형태의 간단한 스핀 코팅 방법으로 나노층에 막을 안정적으로 형성한다.
금 전극과 탄소 화합물인 분자층 경계면에서 전기적 소실도 적기에 기존 전도성 유기층(전도성 폴리머, 탄소 나노튜브, 그래핀) 물질의 단점인 저전도성, 제작 과정상 오염, 분자층 소실 우려 등도 배제할 수 있다.

※ 비휘발성 메모리(Non-volatile Memory Devices) | 전원을 공급하지 않아도 저장한 정보를 계속 유지하는 컴퓨터 메모리다.
환원 산화 그래핀(Reduced Graphene Oxide) | 그래파이트를 산화시켜 만든 산화 그래핀을 환원해 그래핀과 같은 전기적 특성을 보인다. 육각형 구조로 탄소와 탄소 간 공액 결합으로 연결된 하나의 층으로 이뤄졌고, 높은 전도성과 전하 이동도를 지니며, 대량 생산과 용액 제조가 가능하다.