초록 ▼

□ 연구개요
● 차세대 미래 소자를 위해서는 반도체 소자 기술을 10nm 이하의 반도체 소자로 적용할 수 있는 신소재가 요구되고 있고, 이를 위해서는 기존 bulk물질, 2차원 물질에서 보이는 문제들이 근본적으로 해결된 물질이 필요하다.
● 본 과제는 기존 나노소재 및 2차원 소재의 한계를 극복할 수 있는 물질로서, 1차원 무기분자선들이 반데르왈스 인력에 의해 결정을 이루는 벌크물질로부터 얻어낸 ‘사슬살 반데르왈스 물질’을 제안함. 시뮬레이션을 활용하여 반데르왈스 인력에 의하여 1차원의 결정구조를 갖는 다양한 단결정 물질

□ 연구개요
● 차세대 미래 소자를 위해서는 반도체 소자 기술을 10nm 이하의 반도체 소자로 적용할 수 있는 신소재가 요구되고 있고, 이를 위해서는 기존 bulk물질, 2차원 물질에서 보이는 문제들이 근본적으로 해결된 물질이 필요하다.
● 본 과제는 기존 나노소재 및 2차원 소재의 한계를 극복할 수 있는 물질로서, 1차원 무기분자선들이 반데르왈스 인력에 의해 결정을 이루는 벌크물질로부터 얻어낸 ‘사슬살 반데르왈스 물질’을 제안함. 시뮬레이션을 활용하여 반데르왈스 인력에 의하여 1차원의 결정구조를 갖는 다양한 단결정 물질군을 추가적으로 발굴하고, 1차원 결정물질들을 실제로 합성하여 후속연구의 기반을 마련하고, 합성된 물질의 분자물질 수준 박리법 개발과 1 nm 급의 무기분자선 소재의 응용소자 적용 가능성 확인하여 다운 스케일링 한계극복 소자 개발을 최종 목표로 한다.

□ 연구 목표대비 연구결과
● 본 연구는 최종 목표인 다운 스케일링에 의한 열화를 해결할 수 있는 사슬상 반데르왈스 물질인 1차원 무기분자선 발굴과 이를 기반으로한 전자 소자 개발을 위해 1) 시뮬레이션을 통한 물질 탐색 및 이론적 안정성 검증, 2) 단결정 합성법 개발, 3)1 nm 수준의 1차원 무기분자선으로 분리공정 최적화, 4) 전자 소자 및 응용소자 개발로 연구 목표를 단계적으로 선정하였다.
● 시뮬레이션 결과로 총 153종의 일차원 물질을 발굴하였으며, 실제 발굴된 물질에 적합한 합성방법을 선정하고, 이를 최적화함으로써 총 38종의 단결정 사슬상 반데르왈스 물질을 합성하였다.
● 그 다음, 사슬상 반데르 왈스 물질을 기계적 박리법 및 액상박리법을 개발하여 10 nm 수준으로 기계적 박리된 1차원 무기분자선의 안전성을 평가하고 최종적으로는 1 nm 급 두께에서 1차원 선형 형상을 유지하는 결과를 확보하였다.
● 최종적으로는, 1 nm 급 무기분자선 소재를 확보하고 1차원 무기분자선 기반 전자 소자 및 광소자 개발을 통해 벌크 대비 200% 높은 모빌리티와 같은 우수한 소자 특성을 확보하였다. 특히, 다중실험 조합법을 통하여“사슬상 반데르왈스 물질”인 Ta₂Ni₃Se₈, Nb₂Pd₃Se₈ 는 기계적 박리법을 통해 FET 소자로의 개발에 성공하였고, 최종적으로 nm scale 의 1차원 무기분자선은 벌크 대비 최대 20~30 cm²V^-1s^-1으로 1100% 증가한 모빌리티를 검증하였다.
● 연구 결과로, SCI(E)급 논문에 총 41편 게재하였고 (JCR 상위 10% 이내 19편, JCR 상위 25% 이내 31 편), 국내 특허 총 1건을 출원하는 성과를 달성하였다

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
● 본 연구팀이 제안하는 1차원의 무기분자선 소재는 반도체 소재의 근본적인 한계점 극복을 할 수 있는 방안을 제시할 뿐만아니라, 다양한 분자단위소자에 폭넓게 활용되어 미래 반도체 응용 소자 개발에 적용할 수 있다.
● 1차원 무기분자선 소재는 조성, 구조에 따라 전도체, 반도체, 절연체 특성과 같이 다양한 전기적 특성을 갖는 것을 확인하였다. 때문에 반도체 소자에서도 다양한 응용 분야에 적용 가능하다. 이러한 1차원 무기분자선을 응용한 새로운 소자 개발을 통해 웨어러블 및 플렉서블 디바이스, 분자 포러스 멤브레인, 태양전지, 나노 바이오 센서 등에 적용할 계획이다.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 1.1 연구개발의 목표 ... 4
• 1.2 세부 연구 목표 ... 4
• 1.3 연구의 최종목표 ... 5
• 1.4 연구의 필요성 ... 6
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 6
• 2.1 단결정 사슬상 반데르왈스 물질 발굴 ... 6
• 2.2 단결정 사슬상 반데르왈스 물질 합성 ... 7
• 2.3 단결정 사슬상 반데르왈스 물질 분리 ... 8
• 2.4 1차원 무기분자선 개발 ... 9
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 11
• 3.1. 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 11
• 3.2. 세부 정량적 연구개발성과 ... 12
• 3.3. 목표 달성 수준 ... 12
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 15
• 4.1. 신물질 개발을 통한 기존소재 한계 극복 방안 제시 ... 15
• 4.2. 1차원 무기분자선 소재를 통한 신 물리 소자 개발 ... 16
• 4.3. 반도체 및 신소자 국가경쟁력 향상 ... 16
• 4.4. 새로운 소재분야 선점을 통한 시장 경쟁력 확보 ... 16
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 17
• 5.1. 연구 개발 성과 관리 추진체계 ... 17
• 5.2. 연구개발 결과의 활용방안 ... 17
• 5.3. 추가 연구의 필요성 ... 18
• 6. 자체점검표 ... 19
• 7. 참고문헌 ... 20
• 붙임1. 세부 정량적 연구개발성과 ... 22
• 붙임2. 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 41
• 끝페이지 ... 56