2022년 현재, sub-10 nm 공정 수준까지 극한의 공정 기술을 이용하여 제작되는 반도체 소자는 신호를 고속으로 안정적 상태를 유지하며 제어하기 위한 최소한의 물리적 한계에 접근하고 있는 추세입니다. 전자 대신 신호를 전달할 수 있는 매개체 후보로서 플라즈몬, 폴라리톤, 포논, 그리고 스핀 같은 다양한 준입자 (quasiparticles)를 고려할 수 있습니다. 그러나 이들 준입자는 고유의 파동성으로 인해, 전자처럼 좁은 공간에 속박시키거나 특정한 방향으로만 움직이게 하는 것은 현재의 실리콘 기반 반도체 소재 기술을 통해 구현하기가 거의 불가능에 가깝습니다. 따라서 이들 준입자의 속박/진행을 제어할 수 있는 신소재를 구현한다면 전자를 대체할 수 있는 매개체 기반 정보 처리 기능성을 확보할 수 있을 것입니다. 특히 포논, 스핀 같은 무질량 준입자의 경우, 전기적 저항이 0에 가깝고 따라서 열의 형태로 에너지가 누설될 가능성이 매우 낮으므로, 현재의 전자공학 기반 소자보다 훨씬 동작 속도가 빠르면서도 훨씬 낮은 구동 에너지만 필요로 할 가능성이 높기 때문에, 이러한 준입자 기반 정보 소재를 구현하는 것은 차세대 반도체 소자/소재로서 매력적인 방법이 될 수 있습니다. 문제는 이러한 준입자 제어에 적합한 소재가 현재로서는 거의 전무하다는 것입니다. 1958년 노벨물리학상 수상자인 P. Anderson 교수는 최초로 랜덤 구조 내 파동 국소화 이론을 발표했고, 그 이후 수십 년 동안 다양한 파동성 준입자 국소화가 실험적으로 관측되어 왔습니다. 준입자 국소화 제어를 위해서 원하는 수준의 무질서를 갖는 소재를 구현할 필요가 있고, 이는 소재 내에 항상 나타나는 결함, 특히 물리적 특성이 다른 결함들의 공간 상관성을 제어함으로써 실현됩니다. 문제는 이러한 상관성 제어를 위한 설계나 실제 구현이 거의 연구되지 않았다는 것입니다.

기본적으로 무기 소재에서 결함, 그리고 결함 간의 상관성을 원하는 수준으로 제어하기 위해서는 유기 격자를 활용할 수 있습니다. 다만 유기 격자는 그 특성상 열적 노이즈와 형태의 안정성 유지에 취약합니다. 이를 극복하기 위해 블록공중합체 (block-copolymer) 기반의 유기 격자를 활용할 수 있으며, 특히 무질서 제어를 위해 본 연구팀이 기 확보하였거나 제안하고 있는 다양한 방법을 이용하면 완벽한 결정상과 무질서상 사이, 적절한 강상관성을 갖는 무질서도를 갖춘 중간상을 확보할 수 있습니다. 본 연구팀은 2017년부터 블록공중합체 기반 유기 격자의 무질서도를 제어하는 연구를 공동으로 하고 있으며, 지난 5년 간 무질서 제어에 대한 실험적 방법론 확보는 물론, 다양한 계산과학적 툴을 확보한 바 있습니다. 이에 더해 본 연구팀이 보유한 계산과학적 방법과 데이터 셋을 이용, 원하는 무질서도와 그에 대응하는 준입자 국소화 특성을 역설계 (inverse design)할 수 있는 방법론을 확보할 수 있으며, 이를 통해 원하는 종류의 파동성 준입자 국소화 제어를 위해 어떠한 구조의 격자와 소재가 필요한지 알아낼 수 있습니다. 이후, 원자층 증착법 (ALD) 같은 공정을 이용하여 유기 격자는 무기 재료로 전환될 수 있습니다. 이러한 무기 격자 내, 준입자가 어떻게 국소화되거나 특정 방향으로 진행하는지를 실험적으로 관측함으로써 이들에 대한 제어 가능성이 확보되며, 향후 준입자의 국소화 상태를 stop, 진행을 go로 설정함으로써, 포토닉 메모리 혹은 양자 메모리 같은 차세대 초고속 정보처리/저장 소자로서의 동작 가능성을 테스트할 수 있습니다. 특히 본 과제에서 주요 타겟으로 삼고 있는 준입자인 포논의 경우, 현재까지 실험적으로 앤더슨 국소화 현상을 명확하게 관측한 바가 없고, 이에 대한 이론적 해석도 충분히 이뤄지지 않고 있는 상황을 고려할 때, 본 연구 과제를 통해 이론적, 실험적 실마리를 잡을 수 있으리라 기대하고 있습니다. 이를 위해 본 연구팀은 블록공중합체 유기 격자를 10-30 nm 수준의 격자상수를 갖게 만들고, 이를 탄소 소재나 화합물반도체로 구현하여 THz 영역의 파동성 포논 신호 특성 변화를 분석할 예정입니다. 본 제안 과제의 성과는 향후 신개념 정보처리 소재로 응용될 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.

강상관 결합을 갖는 유기 나노 격자를 이용하여 포논 등의 준입자를 제어하는 기술 개념도