그래핀(graphene)은 탄소 원자 한 층으로 구성된 2차원 물질로, 우수한 전기적/기계적 성질을 갖고 있다. 따라서 다양한 분야에서 그래핀을 활용하려는 연구가 각광을 받고 있다. 예를 들어 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET)와 같은 플라스틱 기판 위에 그래핀 박막을 증착하면 유연한 전자소자로 활용할 수 있을 것이다. 한편 다양한 그래핀 제작법 중 화학적 박리법은 산화로 인해 그래핀 고유의 성질은 다소 저하되지만 대량의 그래핀 조각을 분산액 상태로 얻을 수 있다는 장점이 있다. 또한 그래핀 분산액에 다른 기능성 물질을 첨가함으로써 쉽게 특성을 개질할 수 있다. 예를 들어 계면활성제인 Triton X-100 (2-[4-(2,4,4-trimethylpentan-2-yl)phenoxy]ethanol, TX)를 그래핀 분산액에 섞으면 용액의 점성 및 표면장력을 용도에 맞춰 변화시킬 수 있다.

이에 본 연구에서는 바 코팅(bar coating) 방법으로 그래핀 분산액을 PET 기판 위에 균일한 박막으로 증착하였다. 바 코팅 방법은 와이어가 빽빽이 감긴 막대를 당겨 와이어 간의 미세한 틈새로 용액을 얇게 분포시키는 증착 방법이다. 이때 제작 조건에 따라 박막 특성이 크게 변화할 수 있다. 여기서는 수분산 그래핀의 초음파 처리 시간, 열처리 온도, 열처리 시간, TX 혼합 여부에 따른 형태적/전자구조적 변화를 광학현미경, 주사전자현미경, X선 광전자분광법을 이용하여 분석하였다. 그 결과 초음파 처리 시간, 열처리 온도, 열처리 시간의 변화에 의해서는 박막의 형태적/전자구조적 차이가 뚜렷이 나타나지 않았다. 그러나 첨가한 TX가 그래핀 시트 표면에 분포하고, 이로 인해 경계면이 말려 올라가는 것이 관측되었다. 한편 수분산 그래핀에는 화학적 박리 과정에서 사용되는 다양한 작용기도 존재하는 것으로 나타났다. 이러한 박막 특성은 4탐침법으로 측정한 면저항의 경향성과도 잘 일치하는 것으로 해석되었다. 본 연구에서 얻어낸 결과들은 추후 수분산 그래핀을 이용한 다양한 소자 제작에 있어 유용한 기초 정보가 될 것이다.

고밀도 시냅스 어레이 장치가 있는 하드웨어 인공 신경망 시스템은 패턴 인식을 위한 대규모 병렬 컴퓨팅을 수행할 수 있다. 이에 따라, 시냅스 응용을 위하여 다양한 장치가 제안되었지만 뉴로모픽 시스템에 적용하기에는 한계가 있다. 이들 중, 비휘발성 메모리 장치의 정밀한 크로스바 어레이는 대규모 병렬 및 뉴로모픽 컴퓨팅 시스템을 구현하기 위한 가능성을 제시하였다. RRAM 소자는 다양한 형태의 금속 나노입자, 유기고분자, 무기반도체와 혼합한 2차원 물질을 이용하여 저항성 스위칭 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, RRAM 소자는 저항성 재료 및 금속 산화물 표면에서 메커니즘을 통하여 광학 효과를 내는 특성이 보고되었다. 본 연구에서는 TiO₂ 용액을 합성하여 RRAM 소자를 제작하고 실험을 통해 저항 변화 특성을 확인하였다. 실험에 사용된 시료 소자의 합성용액에서 ligand 역할로 2-(Methylamino) pyridine이 사용되었고, 소자의 전자 흐름에 주로 기여하는 성분은 TiCl₄ (Titanium tetrachloride)로, 소자에는 일정한 양의 전구체가 사용되었다. 제작된 소자에서 빛의 조사에 의한 저항 변화는 합성 용액인 TiO₂에 의해 달라진다. 전자는 절연막 내에 존재하는 TiO₂ particle trap을 타고 short range hopping을 통하여 소자에 전류를 흐르게 한다. 그리고 Ti 입자와 ligand 간에 배위결합을 통하여 전자 호핑에 영향을 미친다. 소자에 빛이 조사하게 되면 활성화 에너지가 들어가 TiO₂ 내에 있는 전하의 상태를 변화시키게 되고, 이로 인하여 전자들이 호핑할 수 있는 상태를 밴드 갭을 통하여 조절하는 것이다. 가시광선 영역의 장파장을 조사하였을 경우, 분자가 열린 상태로 변형되고 ligand의 전기적 장벽으로 인해 저항이 증가하는 것으로 파악된다. 반면, 자외선 영역의 단파장을 조사하는 경우, 입사된 높은 에너지로 인하여 분자가 닫힌 형태로 잠겨 전자 터널링 효과가 활성화되어 저항이 감소하는 것으로 파악된다. 가시광선과 자외선 파장의 빛을 조사하고 I-V sweep을 반복하여 저항 변화를 확인하였다. 파장, 광원 파워, 조사 시간을 조절하여, 가시광선 파장에서는 저항이 증가하고 자외선 파장에서는 저항이 감소하는 경향성이 확인되었다. 이러한 경향성을 이용하여 가시광선과 자외선 파장의 빛을 번갈아 가면서 조사하였을 때, 저항성 스위칭 거동의 특성이 확인되었다(그림). 따라서, 빛을 이용하여 전자 흐름을 조절한다면 저항 변화를 조절하는 것이 가능하다. 그리고 각 파장에 따라서 저항 변화를 제어할 수 있다는 것은 소자의 온-오프 스위칭 역할을 담당할 수 있다. 제작된 TiO₂ 소자에서는 안정적인 스위칭 거동이 나타나지 않았지만, 재현성을 확인하였기 때문에 뉴로모픽 소자로서 RRAM 소자의 적용 가능성을 확인하였다.

페로브스카이트(perovskite)라는 용어는 1839년에 러시아에서 발견된 광물(CaTiO₃)의 이름에서 유래되었으며, 이 광물을 발견한 러시아 광물학자 L. Perovski (1792-1856)의 이름으로부터 명명된 용어이다. 페로브스카이트 구조는 ABX₃의 분자식을 갖고 있으며, 일반적으로 A와 B 자리에는 양이온 그리고 X 자리에 이들과 결합하고 있는 음이온으로 구성되어 있다. 각각의 양이온과 음이온을 다른 이온으로 치환함으로써 물성을 변화시킬 수 있기 때문에 다양한 분야에 활발하게 연구 및 활용되고 있다. 그러나 산화물 페로브스카이트(ABO₃) 소재는 밴드갭이 3 eV 이상으로 높기 때문에 태양광을 흡수하여 에너지를 변환하는 광기전력 소자분야에 활용하는데 한계가 있고, A와 B 자리에 +1가의 유·무기 이온과 +2가의 양이온이 각각 위치하고 X 자리에 할라이드(F, Cl, Br, I) 음이온으로 구성되어 있는 유·무기 할라이드 페로브스카이트 소재는 열적 안정성이 낮을 뿐만 아니라 수분에 매우 취약하다는 단점이 있다.

산칼코겐화물(oxychalcogenide) 페로브스카이트(ABCh₃, Ch = O, S, Se) 소재는 음이온 자리에 위치하는 산소와 칼코겐의 비율을 조절하여 밴드갭 제어가 가능하기 때문에 가시광-적외선 영역의 태양광을 흡수할 수 있는 조성을 개발할 수 있으며, 산화물 강유전체보다 약 두 배가량 큰 분극 특성과 우수한 태양전지 효율을 발휘할 수 있을 것으로 예상되며 습기, 열, 자외선 등의 주위 환경에 안정적이기 때문에 차세대 고성능의 광검출기, 광촉매, 태양광 흡수층 소재로 활용 가능할 것으로 기대하고 있다(그림). 그러나, 산칼코겐화물 페로브스카이트 소재는 합성하기 어렵기 때문에 대부분 전산모사 결과로만 알려져 있고, 현재까지 실험결과는 매우 제한적으로 보고되어 있다. 그러므로, 산칼코겐화물 페로브스카이트가 우수한 광기전력 소자로서 잠재력을 발휘하기 위해서는 새로운 실험적 접근법을 이용하여 실현화하는 노력들이 필요하다. 그리고 이종-음이온화물 페로브스카이트 소재들은 향후 다양한 분야에서 차세대 지속 가능한 신기능 소자에 활용 가능할 것으로 기대한다.

백열전구는 1844년 19세의 존 웰링턴 스타(John Wellington Starr)에 의해 발명되었다. 그 후 많은 과학자들이 실용화를 위해 노력하였고 1860년 영국의 조지프 윌슨 스완(Sir Joseph Wilson Swan)과 1,093개의 미국특허에 이름을 올린 토머스 앨바 에디슨(Thomas Alva Edison)은 백열전구를 상업화하였다. 백열전구는 흘려주는 전기의 95% 이상이 열로 발산하고 불과 몇 %만 빛으로 사용되어 전기를 낭비하는 문제점이 있어 150년 만에 우리 주위에서 사라지게 된다. 1936년 제너럴일렉트릭의 조지 인먼(George Inman)과 리처드 테이어(Richard Thayer)는 형광램프를 실용화하였다. 그러나 수은 가스 등을 사용하기 때문에 환경에 큰 문제가 된다.

LED (Light Emitting Diode)는 두 개의 극을 가진 구조로 에너지밴드에 따라 다양한 빛을 낼 수 있으며 전기를 절약할 수 있는 매우 친환경적인 빛을 내는 반도체 발광 소자이다. 1962년 붉은 가시광 빛을 닉 홀로냑 주니어(Nick Holonyak Jr.)가 반도체를 이용하여 최초로 제작하였다. 그 후 청색 발광다이오드를 개발하고 상용화에 기여한 공로로 아카사키 이사무(Akasaki Isamu), 아마노 히로시(Amano Hiroshi), 나카무라 슈지(Nakamura Shuji) 교수들이 2014년 노벨물리학상을 수상하였다. 비로소 붉은색, 초록색, 청색 LED에 의해 빛의 삼원색이 완성되었다. 이에 비해 Si은 오랜 기간 전자소자로서 각광을 받았지만 빛을 내는 반도체 재료로는 큰 관심을 받지 못하였다.

본 논문은 육방정계 Si 마이크로 단결정 소자의 발광 특성에 관한 것이다. 제작된 Si 마이크로 단결정 발광 소자는 707 ~ 744 nm (1.75 ~ 1.66 eV)의 영역에서 빛이 관측되었다. 이는 육방정계 Si (2H) 구조의 준직접 에너지밴드에서 비롯된 것으로 해석되며, 새로운 Si 관련 광소자의 적용에 크게 기여할 것으로 기대된다.