국제공동 연구진, 유기단분자 열전도도 규명…분자컴퓨팅 실용화 실마리

[이데일리 이연호 기자] 한국연구재단은 장성연 UNIST 교수 연구팀 등이 참여한 국제공동연구진이 피코(10-12)와트 단위의 초미세 열을 측정하는 열량계를 이용해 오랜 난제였던 유기단분자의 열전도도를 측정함으로써 분자컴퓨팅 실용화를 위한 새로운 한발을 내디뎠다고 5일 밝혔다.

단분자 열전도 측정에 대한 모식도. (왼쪽) 원자레벨의 평탄도를 지닌 Au 기판과 Au 나노탐침 사이에 형성된 단분자-금속 접합 모식도. (오른쪽) 이 연구에 사용된 다양한 탄소사슬 길이를 갖는 유기 단분자들. 탄소 사슬의 말단에 S그룹을 지니고 있어 금속과의 화학 결합을 형성할 수 있다. 그림=한국연구재단.

이번 연구는 과학기술정보통신부?한국연구재단 선도연구센터사업 등의 지원으로 수행됐으며 세계 3대 과학학술지 중 하나인 ‘네이처(Nature)’ 7월 17일에 게재됐다.

분자를 회로의 최소단위로 이용하는 분자컴퓨팅은 기존 실리콘 칩 대비 집적도를 수천 배 이상 높일 수 있어 ‘무어의 법칙’의 궁극이라고 하나 실용화를 위한 숙제가 많다.

무어의 법칙은 반도체 집적회로에 사용되는 트랜지스터의 수가 2년마다 두 배로 증가한다는 법칙이다.

그 가운데 하나가 열 분산이다. 전극을 분자로 연결하기 때문에 열이 발생하면 분자를 이루는 원자들이 빠르게 진동하면서 접합이 깨질 수 있기 때문이다. 하지만 열 분산에 앞서 단분자의 열전도도를 측정하는 것조차 불가능했다.

연구팀은 1조(兆)분의 1 와트에 가까운 예민한 열감지 능력을 지닌 탐침형 열량계를 이용해 탄소사슬로 된 단분자의 열전도도를 측정할 수 있었다. 차가운 금 기판과 뜨거운 금 탐침 사이에 놓인 유기분자의 말단이 분리되면서 변화되는 열용량을 측정하는 방식이다.

유기 단분자가 두 전극으로부터 분리되면서 변화되는 수십 피코 와트 수준의 작은 에너지 변화를 감지해 탄소사슬을 통해 전달되는 열을 측정해 낸 것이다.

또 연구진은 측정을 통해 유기분자의 탄소사슬 길이가 열전도에 영향을 미치지 않음을 밝혔다. 이론상 금속이나 반도체에서 소재의 길이가 길어질수록 전자와 열의 전달은 감소하는 것이 일반적이다.

연구진은 양자효과가 적용되는 미시 세상에서는 분자의 길이에 따라 전자 전달은 영향을 받지만 열 전달은 거의 일정함을 밝혀냈다. 이는 전자에 의해 발생하는 열전도는 무시할 수 있음을 의미한다.

양자효과는 분자, 원자, 전자, 소립자와 미시적인 계에서 일어나는 효과 및 현상, 즉 작은 크기를 갖는 계의 현상이다.

장성연 교수는 “단분자 레벨의 열전도도를 처음으로 측정한 것”이라며 “향후 분자 구조의 디자인을 통해 전자 및 열의 전달 특성을 제어해 분자컴퓨팅을 실현하고 나아가 단분자들의 열전특성을 이용한 분자에너지 소재를 개발하는데 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.