국내연구진이 전자를 하나씩 이동시키는 폭 1㎚의 부도체 인듐원자선을 찾아냈다. 이를 활용하면 현재 더딘 기술 발전을 보이는 양자점을 이용한 단전자 소자 발전에 새로운 방향을 제시할 것으로 기대된다.

단전자 소자는 상용화가 이루어질 경우 지금까지의 도체 및 반도체에서 수십 개의 전자가 수행하던 작업을 전자 하나가 대신할 수 있어 전력소비와 발열을 크게 줄일 수 있을 것으로 예상된다. 또한 집적회로의 소형화 역시 앞당길 수 있을 것으로 보인다.

일반적으로 도체전선은 한꺼번에 많은 전자를 흘려보내고, 부도체는 전자를 흘려보낼 수 없는 전기적 특성을 갖고 있다. 이와는 별도로 2000년 노벨화학상을 수상한 전기가 통하는 폴리아세틸렌은 부도체임에도 전자가 흐를 수 있는 전기적 특성을 갖지만, 전자를 하나씩 제어할 수는 없었다.

그런 가운데 IBS 연구진은 영하 150℃ 이하의 저온에서 부도체인 인듐 원자선이 전자를 하나씩, 원하는 방향으로 흘릴 수 있음을 발견했다. 전자 하나를 회로의 스위치로 만들 수 있는 실마리를 찾아낸 것이다.

인듐 원자선은 500℃ 이상의 고온에서 실리콘 표면 위에 인듐을 뿌려 제작한다. 이때 인듐원자는 규칙적으로 실리콘 기판위에 배열하여 사슬처럼 엮인 선폭 1nm이하의 원자전선을 형성한다. 이렇게 형성된 인듐 원자선은 상온에서는 도체이지만 영하 150℃ 이하에서는 부도체의 성질을 갖는다.

그림1. 인듐 원자선에 갇힌 전자의 공간분포

인듐 원자선이 부도체가 되는 것은 각 원자사슬의 서로 다른 네 가지 원자구조(A, B, C, D)의 조합이 어떤 순서로 배열하느냐에 따라 방향성을 갖게 할 수 있기 때문이다. 각 원자사슬 양단 사이에 좁은 경계, 즉 ‘솔리톤’이 생기며 이 솔리톤에 전자 하나가 갇히게 된다.

원자사슬은 구성하는 원자들의 순서를 바꿔주면(A→B→C→D→A의 원자구조를 A→D→C→B→A로) ‘솔리톤’이 방향성을 갖고 이동하게 되어 솔리톤에 갇힌 전자도 이동하게 되는 것이다. 이는 마치 무빙워크가 움직이면서 위에 가만히 서 있는 탑승자를 이동시키는 것과 같다. 연구진은 이번 연구를 통해 찾아낸 ‘1차원 물질에서 방향성을 가진 솔리톤’을 “카이럴 솔리톤”이라고 명명하였다.

기초과학연구원 ‘원자제어 저차원전자계 연구단’의 염한웅 단장과 이성훈 연구위원, 포스텍 김태환 교수, 천상모 박사가 수행한 이번 연구결과는 과학저널 사이언스(Science, IF 33.611)에 10월 9일에 게재되었다.

그림2. IBS 원자제어저차원전자계연구단(단장 염한웅)은 전자를 하나씩 이동시키는 폭 1nm의 부도체 나노 인듐 원자선을 찾아내는데 성공했다.
이 원리를 활용해 단 하나의 전자로 1비트의 정보를 처리하는 단전자 소자 구현에 성공한다면 집적회로의 소형화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.

대외협력실 김한섭