한밭대 김민회 교수, 고분자 터널링층 설계 원리 규명

김민회 교수

국립한밭대학교(총장 오용준)는 창의융합학과 김민회 교수가 교신저자로 참여한 공동연구 논문이 영국 왕립화학회(Royal Society of Chemistry)가 발간하는 국제 저명 학술지 ‘Materials Horizons(Impact Factor 11.4)’에 온라인 게재됐다고 25일 밝혔다.

이번 연구는 ‘Molecule-in-Memory: A Multiscale Guideline for Polymeric Tunnelling Layers Linking Molecular Motifs to Electrical Outcomes’를 주제로 진행됐으며, 김민회 교수와 일본 이와테대학교의 Yuji Shibasaki 교수가 공동 교신저자로 참여했다.

연구팀은 전기장 기반 전하 저장 방식의 유기 비휘발성 메모리에서 핵심 역할을 하는 고분자 터널링층의 체계적인 설계 기준을 제시했다. 유기 전하트랩 메모리는 플렉서블 전자소자와 저전력 전자기기 구현을 위한 차세대 기술로 주목받고 있지만, 그동안 고분자 터널링층의 분자 구조와 실제 소자 성능을 연결하는 명확한 설계 지침은 부족한 상황이었다.

특히 기존 연구들이 유전율, 전하 이동도, 트랩 밀도, 누설전류 등 개별 물성 최적화에 집중했다면, 이번 연구는 고분자 터널링층의 전기적 특성이 단일 요소가 아닌 다양한 물리·화학적 인자의 상호작용에 의해 결정된다는 점을 규명했다. 연구팀은 분자 수준의 구조적 모티프가 메모리 윈도우, 온·오프 전류비, 데이터 보존 특성 등 거시적 소자 성능으로 이어지는 과정을 다중스케일 관점에서 분석했다.

또한 연구팀은 고유 미세공극성을 가진 저유전율 고분자 P(DTDB-DB)를 터널링층으로 적용해 파울러-노드하임 터널링(Fowler-Nordheim Tunneling), 유전율, 전계효과 이동도, 트랩 밀도, 누설전류 등 주요 인자들을 균형 있게 제어할 수 있음을 확인했다.

실험 결과, P(DTDB-DB) 터널링층을 적용한 유기 전하트랩 메모리는 기존 고분자 유전체 기반 소자보다 메모리 윈도우와 온·오프 전류비, 데이터 보존 특성이 향상된 것으로 나타났다. 또한 저전압 구동 환경에서도 멀티비트 동작을 구현해 향후 저전력·고집적 유기 메모리 소자 개발 가능성을 제시했다.

김민회 교수는 “이번 연구는 고분자의 분자 구조와 나노스케일 물성이 실제 메모리 소자의 전기적 성능으로 연결되는 과정을 체계적으로 설명했다는 점에서 의미가 있다”며 “개별 물성 향상에 그치지 않고 다양한 나노 인자의 균형을 설계하는 접근법이 유기 비휘발성 메모리의 성능 향상과 신뢰성 확보를 위한 중요한 기준이 될 것”이라고 말했다.

이어 “유기 메모리 소자는 플렉서블 전자소자와 웨어러블 시스템, 차세대 저전력 정보저장 장치 등 다양한 응용 분야로 확장될 수 있다”며 “이번 연구에서 제시한 고분자 터널링층 설계 전략이 향후 유기 전자소자와 고분자 기반 반도체 소재 연구 발전에 기여할 것으로 기대한다”고 덧붙였다.

한편 이번 연구는 교육부와 한국연구재단의 중점연구소지원사업, 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 국제협력사업의 지원을 받아 수행됐다.