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유기단분자 열전도도 규명…분자컴퓨팅 실용화 실마리

최종수정 2019.08.05 12:00 기사입력 2019.08.05 12:00

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장성연 교수 연구팀 참여 국제공동연구진 성과

단분자 열전도 측정에 대한 모식도

단분자 열전도 측정에 대한 모식도



[아시아경제 김철현 기자] 한국연구재단(이사장 노정혜)은 장성연 울산과학기술원(UNIST) 교수 연구팀 등이 참여한 국제공동연구진이 '피코 와트' 단위의 초미세 열을 측정하는 열량계를 이용해 오랜 난제였던 유기단분자의 열전도도를 측정했다고 5일 밝혔다. 분자컴퓨팅 실용화를 위한 새로운 한 발을 내디딘 것으로 평가 받는 이번 연구는 국제학술지 '네이처'에 최근 게재됐다.


분자를 회로의 최소단위로 이용하는 분자컴퓨팅은 기존 실리콘 칩 대비 집적도를 수 천 배 이상 높일 수 있지만 실용화를 위한 숙제도 많다. 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 1조분의 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 수 십 피코 와트 수준의 작은 에너지변화를 감지해 탄소사슬을 통해 전달되는 열을 측정해 낸 것이다.


또한 측정을 통해 유기분자의 탄소사슬 길이가 열전도에 영향을 미치지 않는다는 것을 입증했다. 이론상 금속이나 반도체에서 소재의 길이가 길어질수록 전자와 열의 전달은 감소하는 것이 일반적이다. 하지만 양자효과가 적용되는 미시세상에서는 분자의 길이에 따라 전자 전달은 영향을 받지만 열전달은 거의 일정함을 밝혀냈다. 이는 전자에 의해 발생하는 열전도는 무시할 수 있음을 의미한다.


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



김철현 기자 kch@asiae.co.kr

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