KR100560431B1 - 분자 스위치 소자 - Google Patents

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Abstract

나노 미터 크기의 분자 스위치 소자를 제공한다. 본 발명은 전자가 흐를 수 있는 전자 채널을 구성하고, 카본 나노튜브, 반도체성 나노와이어, 금속성 나노와이어, 고분자 나노화이버 또는 전도성 유기분자로 이루어진 채널부와, 상기 채널부의 양단에 접촉된 전극과, 상기 채널부와 연결부를 통하여 연결되고, 상기 전극을 통해 전압을 인가하면 산화 상태 또는 전자 밀도가 달라져서 상기 채널부의 전기 전도도를 변화시킬 수 있게 전자 친화력(electron affinity)이 큰 전자 받게 분자로 구성된 조절부를 포함하여 이루어지고, 상기 연결부는 상기 채널부와 조절부를 물리적 결합 또는 화학적 결합으로 연결하는 나노 미터 크기의 물질로 구성되는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 분자 스위치 소자는 고속 동작이 가능하고, 분자 소자 제작 공정을 활용할 경우 고집적화가 가능하다.
분자 스위치 소자, 전자 채널,

Description

분자 스위치 소자{Molecular switching devices}
도 1은 본 발명의 분자 스위치 소자의 구조를 도시한 모식도이다.
도 2는 본 발명의 분자 스위치 소자의 동작을 설명하기 위한 전류-전압 그래프이다.
본 발명은 분자 스위치 소자에 관한 것이다.
일반적으로, 분자 스위치 소자는 유기 분자 또는 무기 분자를 전자 채널로 이용한 소자이다. 상기 분자 스위치 소자는 종래의 반도체 소자가 가지는 집적화의 한계를 극복할 수 있는 대안으로 주목받고 있다.
그런데, 종래의 분자 스위치 소자는 카테난(catenane)이나 로탁산(rotaxane) 등의 산화 상태에 따라 분자 구조가 변화되고 그에 따른 저항의 차이가 유발되는 원리를 이용한다. 따라서, 종래의 분자 스위치 소자는 분자 구조의 변화를 수반하기 때문에 10 마이크로초(μsec) 이하의 고속 동작이 어렵고, 분자막의 피로 현상에 의해 스위치 효과가 몇 사이클 이후에 감소하는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 전기적 신호에 의해 스위칭이 가능하여 고속 동작을 할 수 있는 분자 스위치 소자를 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 분자 스위치 소자는 전자가 흐를 수 있는 전자 채널을 구성하고, 카본 나노튜브, 반도체성 나노와이어, 금속성 나노와이어, 고분자 나노화이버 또는 전도성 유기분자로 이루어진 채널부와, 상기 채널부의 양단에 접촉된 전극과, 상기 채널부와 연결부를 통하여 연결되고, 상기 전극을 통해 전압을 인가하면 산화 상태 또는 전자 밀도가 달라져서 상기 채널부의 전기 전도도를 변화시킬 수 있게 전자 친화력(electron affinity)이 큰 전자 받게 분자로 구성된 조절부를 포함하여 이루어지고, 상기 연결부는 상기 채널부와 조절부를 물리적 결합 또는 화학적 결합으로 연결하는 나노 미터 크기의 물질로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 전극은 Au, Ag, Cu, Al, Pt, Pd 등의 금속이나, 높게 도핑된 반도체(highly doped semiconductor), 예컨대 Si이나 GaAs로 구성될 수 있다.
삭제
이상과 같은 본 발명의 스위치 소자는 조절부의 전자상태가 외부 전압에 의해 조절되므로 스위칭 속도가 높일 수 있고, 구조적으로 안정한 분자를 사용함으로써 피로현상에 의한 스위칭 특성 저하를 방지할 수 있다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다.
도 1은 본 발명의 분자 스위치 소자의 구조를 도시한 모식도이다.
구체적으로, 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 분자 스위치 소자는 전자가 흐를 수 있는 전자 채널을 구성하는 채널부(200)와, 상기 채널부(200)의 양단에 접촉된 전극(100)과, 상기 채널부(200)와 연결부(300)를 통하여 연결되고 상기 전극(100)을 통한 전압 인가에 따라 산화 상태 또는 전자 밀도가 달라져서 채널부(200)의 전기 전도도를 변화시킬 수 있는 조절부(300)를 포함한다. 본 발명의 분자 스위치 소자의 상기 채널부(200), 연결부(400) 및 조절부(300)는 나노 미터의 크기로 구성되어, 집적도가 높은 나노 회로의 제작에 이용할 수 있다.
본 발명의 분자 스위치 소자는 상기 전극(100)을 통하여 외부 전압이 인가되면 되면 상기 조절부(300)의 산화 상태 또는 전자밀도의 차이가 유발되고, 이에 따라 상기 조절부(300)에 연결되어 있는 채널부(200)의 전자 흐름이 조절된다. 특히, 본 발명의 분자 스위치 소자는 상기 조절부(300)의 전자 상태가 외부 전압에 의해 조절되므로 스위칭 속도를 높일 수 있어 종래 분자 스위치 소자의 저속 동작을 극복할 수 있다.
상기 채널부(200)는 카본 나노튜브(carbon nanotubes), 반도체성 나노와이어(semiconducting nanowire), 금속성 나노 와이어, 고분자 나노 화이버, 전도성 유기 분자 등 1차원 전자수송 특성을 보이는 모든 물질을 이용할 수 있다. 채널부(200)는 가해진 전압에 따라 일정한 크기의 전류가 흐를 수 있는데, 스위칭 효과를 높이기 위해서는 반도체적인 성질을 띠는 물질을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 조절부(300)는 채널부(200)와 화학적 결합 또는 물리적 결합에 의해 만들어진 연결부(400)를 통해 채널부(200)의 일정한 위치에 안정된 구조를 이루면서 존재하고, 외부의 환경적인 요인에 의해 산화 상태 또는 전자밀도의 차이가 유발되는 물질로 구성된다. 본 발명의 분자 스위치 소자에 있어서는 상기 조절부(300)를 구성하는 분자는 구조적으로 안정한 분자를 사용하여 피로 현상에 의한 스위칭 특성 저하를 방지한다.
상기 조절부(300)는 전자 친화력이 큰 전자 받게 분자(electron-withdrawing molecules)로 구성될 수 있다. 특히, 상기 조절부(300)는 1~4eV 정도로 전자 친화력(electron affinity)이 큰 전자 받게 분자를 사용할 수 있다. 상기 조절부(300)를 구성하는 전자 받게 분자로는 TCNQ(tetracyanoquinonedimethane), TCNaQ(tetracyanoanthraquinodimethane), TCNE(Tetracyanoethylene), TCNQF4(2,3,5,6-tetrafluoro-7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane), DCNQI(dicyanoquinodiimine), Trinitrofluorenone, p-Benzoquinone, DDQ(dichlorodicyanobenzoquinone), dinitrobenzene, C60등의 분자를 사용하는 것이 바람직하나 다른 종류의 전자 받게 분자도 사용될 수 있다.
상기 연결부(400)는 상기 채널부(200)와 조절부(300)를 물리적 또는 화학적으로 연결하는 나노미터 크기의 물질로 구성된다. 상기 연결부(400)는 실제적으로 알킬 체인 등 전기 전도도가 낮은 화학 결합을 이용하는 것이 바람직하다.
상기 채널부(200)의 양단에 접촉된 전극(100)은 Au, Ag, Cu, Al, Pt, Pd 등의 금속이나 높게 도핑된 반도체(highly doped semiconductor), 예컨대 Si이나 GaAs를 이용한다.
도 2는 본 발명의 분자 스위치 소자의 동작을 설명하기 위한 전류-전압 그래프이다.
구체적으로, 본 발명의 분자 스위치 소자는 전극에 전압이 가해졌을 때 일정한 방향으로 전류가 흐를 수 있고 조절부(도 1의 300)의 산화 상태나 전자 밀도에 따라 고전도 상태(500, high conductance state)와 저전도 상태(600, low conductance state))를 가질 수 있어 스위칭 효과를 가질 수 있다.
특히, 본 발명의 분자 스위치 소자는 외부 전압이 인가되는 속도에 따라 채널의 특성이 고전도 상태와 저전도 상태로 상호 변경되기 때문에 고속 동작이 가능하다. 더하여, 본 발명의 스위치 소자는 조절부(도 1의 300)를 산화 상태가 바뀌는 물질을 사용하면 고전도 상태와 저전도 상태가 일정한 기간 동안 유지되어 비휘발성 메모리소자에 채용할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 분자 스위치 소자는 나노 미터 크기의 채널부과 조절부로 구성되기 때문에 집적도가 높은 나노 회로의 제작에 이용할 수 있다. 더하여, 본 발명의 스위치 소자는 조절부의 전자상태가 외부 전압에 의해 조절되므로 스위칭 속도가 높아져 기존의 분자 스위치의 저속 동작을 극복할 수 있고, 구조적으로 안정한 분자를 사용함으로써 피로현상에 의한 스위칭 특성 저하를 방지할 수 있다.

Claims (7)

  1. 전자가 흐를 수 있는 전자 채널을 구성하고, 카본 나노튜브, 반도체성 나노와이어, 금속성 나노와이어, 고분자 나노화이버 또는 전도성 유기분자로 이루어진 채널부;
    상기 채널부의 양단에 접촉된 전극; 및
    상기 채널부와 연결부를 통하여 연결되고, 상기 전극을 통해 전압을 인가하면 산화 상태 또는 전자 밀도가 달라져서 상기 채널부의 전기 전도도를 변화시킬 수 있게 전자 친화력이 큰 전자 받게 분자로 구성된 조절부를 포함하여 이루어지고, 상기 연결부는 상기 채널부와 조절부를 물리적 결합 또는 화학적 결합으로 연결하는 나노 미터 크기의 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 분자 스위치 소자.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 전자 받게 분자는 TCNQ, TCNaQ, TCNE, TCNQF4, DCNQI, Trinitrofluorenone, p-Benzoquinone, DDQ, dinitrobenzene, 또는 C60로 구성되는 것을 특징으로 하는 분자 스위치 소자.
  5. 제1항에 있어서, 상기 전극은 Au, Ag, Cu, Al, Pt 또는 Pd로 이루어진 금속으로 구성되는 것을 특징으로 하는 분자 스위치 소자.
  6. 삭제
  7. 삭제
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