유기단분자 열전도도 규명
분자컴퓨팅 실용화에 새로운 실마리
□ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 장성연 교수(現소속 : UNIST, 前소속 : 국민대) 연구팀 등이 참여한 국제공동연구진이 피코(10-12)와트 단위의 초미세 열을 측정하는 열량계를 이용하여 오랜 난제였던 유기단분자의 열전도도를 측정, 분자컴퓨팅 실용화를 위한 새로운 한 발을 내디뎠다고 밝혔다.
ㅇ 이번 연구는 과학기술정보통신부‧한국연구재단 선도연구센터사업등의 지원으로 수행되었으며 국제학술지 '네이처(Nature)' 7월 17일에 게재되었다.
□ 분자를 회로의 최소단위로 이용하는 분자컴퓨팅은 기존 실리콘 칩 대비 집적도를 수 천 배 이상 높일 수 있어 무어의 법칙*의 궁극이라고 하나 실용화를 위한 숙제가 많다.
※ 무어의 법칙 : 반도체 집적회로에 사용되는 트랜지스터의 수가 2년마다 두 배로 증가한다는 법칙
ㅇ 그 가운데 하나가 열 분산이다. 전극을 분자로 연결하기 때문에 열이 발생하면 분자를 이루는 원자들이 빠르게 진동하면서 접합이 깨어질 수 있기 때문이다. 하지만 열 분산에 앞서 단분자의 열전도도를 측정하는 것조차 불가능했다.
□ 연구팀은 1조(兆)분의 1 와트에 가까운 예민한 열감지 능력을 지닌 탐침형 열량계*를 이용해 탄소사슬로 된 단분자의 열전도도를 측정할 수 있었다.
ㅇ 차가운 금 기판과 뜨거운 금 탐침 사이에 놓인 유기분자의 말단이 분리되면서 변화되는 열용량을 측정하는 방식이다.
ㅇ 유기 단분자가 두 전극으로부터 분리되면서 변화되는 수 십 피코 와트 수준의 작은 에너지변화를 감지하여 탄소사슬을 통해 전달되는 열을 측정해 낸 것이다.
※ 열량계(calorimetric scanning probe) : 열량 측정, 화학반응 또는 물리적 변화뿐만 아니라 열용량의 열을 측정하는 프로세스에 사용되는 개체
□ 또한 측정을 통해 유기분자의 탄소사슬 길이가 열전도에 영향을 미치지 않음을 밝혔다. 이론상 금속이나 반도체에서 소재의 길이가 길어질수록 전자와 열의 전달은 감소하는 것이 일반적이다.
ㅇ 하지만 양자효과*가 적용되는 미시세상에서는 분자의 길이에 따라 전자전달은 영향을 받지만 열전달은 거의 일정함을 밝혀냈다. 이는 전자에 의해 발생하는 열전도는 무시할 수 있음을 의미한다.
※ 양자효과 : 분자, 원자, 전자, 소립자와 미시적인 계에서 일어나는 효과 및 현상. 즉, 작은 크기를 갖는 계의 현상
□ 장성연 교수는 “단분자 레벨의 열전도도를 처음으로 측정한 것”이라며 “향후 분자 구조의 디자인을 통해 전자 및 열의 전달 특성을 제어하여 분자컴퓨팅을 실현하며 나아가 단분자들의 열전특성을 이용한 분자에너지 소재를 개발하는데 기여할 수 있을 것”이라고 설명했다.
※ 논문명 : Thermal conductance of single-molecule junctions
※ 주저자 : 장성연 교수(교신저자, UNIST), 파이안 파울리 교수(교신저자, 오키나와 과기대), 프라모드 레디 교수(교신저자, 미시건 주립대), 에드가 메이호퍼 교수(교신저자, 미시건 주립대), 롱지쿠이 박사(제1저자, 라이스 대학)