고려대학교 화학과 윤효재 교수 연구팀과 한국외국어대학교 물리학과 김태경 교수 연구팀은 polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH)에 기반한 순수 유기 다이오드 분자를 개발하여 2차 슈타르크 효과(the second-order Stark effect)를 화학적으로 제어함으로써 신규 다이오드 분자 개발이 가능함을 세계 최초로 제시했다.

한국연구재단 지원(나노소재기술 개발사업, 도전형소재기술 개발프로그램)을 받아 수행된 이번 연구는 재료/나노 분야 최고 권위의 학술지중 하나인 나노레터스 (Nano Letters, impact factor : 12.712) 12월 24일자에 게재됐다.

연구팀은 탄화수소에 기반한 새로운 다이오드(diode)를 개발하고 핵심 메커니즘을 슈타르크 효과(Stark effect)에 기반하여 설명했다. Polycyclic Aromatic Hydrocarbon (PAH)에 기반한 순수한 유기 다이오드 분자를 개발했고, 740mV에서 최대 1.7x102의 큰 정류비를 유도했다. 

분자전자공학에서 분자의 전자 구조의 변화에 따른 소자의 성능을 제어하는 것은 핵심 연구 주제 중 하나이다. 분자전자소자에서는 거의 모든 분자들이 특정한 전기장에 노출되는데, 전기장 하에서 분자의 전자 구조를 이해하고 이에 따른 소자의 성능 변화를 이해하는 것은 매우 어렵다. 이번 연구에서는 PAH 작용기의 구조적 단순성과 콘쥬게이션 길이(conjugation length)를 변화시킴에 따라 전자 구조를 체계적으로 변화시킬 수 있다는 점을 이용하여 분자 구조와 전기장 사이의 관계를 이해하고자 했다. 액체 금속 기반의 대면적 정션(junction) 기술을 이용하여 높은 수율로 대량의 데이터를 특정하여 통계적인 해석을 가능케했다. PAH 작용기 중 나프탈렌(naphthalene) 기반의 분자에서 슈타르크 효과(Stark effect)에 따른 최외각 분자 오비탈 에너지 준위의 변화가 발생하고, 이로 인해 비대칭적인 에너지 개형이 소자 내에 형성되어 ~102에 가까운 정류비(rectification ratio)가 관측됐다. 분자 다이오드에 관련된 앞선 많은 연구들이 정류에 영향을 주는 요인을 분자의 구조와 연관 짓는 것이 어려웠던 반면, 이번 연구에서는 단순하고 체계적인 분자 구조 변화를 통해 분자의 에너지 레벨 변화에 따른 슈타르크 효과와의 연관성을 규명했다. 

연구진은 이번 연구 결과가 화학적인 방법으로 슈타르크 효과를 체계적으로 제어할 수 있다는 점에서 다른 기능성 분자 소자를 설계하고 메커니즘을 이해하는 데에 긍정적인 영향을 미칠 것으로 기대했다.

◯ Stark Effect (슈타르크 효과)는 외부 전기장에 의해 원자나 분자의 에너지 레벨이 이동하거나 쪼개지는 현상을 말한다. 자기장에 의해 발생하는 Zeeman Effect (제이만 효과)에 대응된다. 1913년 독일의 물리학자인 J.슈타르크가 수소 원자에 대해 처음 발견하였다. 처음에는 정전기의 사례를 위해 만들어졌지만, 현대에는 보다 넓은 맥락에서의 전기장 효과를 설명하는 데에도 사용되는 용어다.

◯ 한쪽 방향으로 전류가 흐르도록 제어하는 반도체 소자를 diode(다이오드)라 일컫는다. 전류-전압 커브의 비대칭성이 클수록 높은 rectification ratio(정류비)를 보인다고 정의한다.

◯ 다환 방향족 탄화수소로써 방향족 고리가 여러 개인 탄화수소 작용기들을 일컫는다.