▲ 새로운 스위치는 삼각형 형태로 무리지어 있는 세 개의 금속 원자 - 질소 원자에 의해 결합되어 있는 - 회전 실험 수행 도중에 발견되었다. 이들은 전체적으로는 탄소 원자들로 구성된 '우리' 안에 둘러 싸여 있다.(Credit: Image courtesy of University of Pittsburgh) ⓒ 뉴스타운

“기존의 스위치 대신 단 한 개의 분자 내에서 논리 연산을 하는 것을 이용한 단 1개의 분자를 이용한 스위치가 생긴다면 작고, 빠를 뿐 아니라 에너지 효율을 극대화할 수 있는 전자공학이 가능해질 것이다”

이 같은 꿈의 스위치는 개발될 것인가? 최근 미국의 피츠버그 대학 연구팀들이 이에 대한 연구를 하고 있다고 ‘사이언스 데일리(Science Daily)'가 1일(현지시각) 보도해 관심을 끈다.

이 연구는 W.M. 케크(Keck)재단에서 100만 달러의 지원으로 이뤄지고 있는데 지난 11월 14일자 나노 레터스 저널(Nano Letters)에 발표됐다.

기사에서 케네쓰 디이트리히 대학 물리 화학 교수이자 수석 연구원인 H. 페텍은 “이 새로운 스위치는 기존의 단 분자(single molecule)개념보다 우수하다”고 말하고 “어떻게 하면 전자 회로 소자를 단(single)분자 수준으로 축소시켜 보다 향상되고 지속가능한 차세대 기술을 구현할 지를 연구하고 있는 중이다”고 밝혔다. 그는 피츠버그 페터슨 나노과학 및 공학 연구소 이사직을 겸하고 있는 학자이다. 

새로운 스위치는 삼각형 형태로 무리(cluster, 클러스터)지어 있는 세 개의 금속 원자(이 원자는 질소 원자에 의해 결합되어 있음) 회전 실험 수행 도중에 발견됐다.

이들(세 개의 금속 원자 클러스터)은 전체적으로는 탄소 원자들로 구성된 '우리(cage)' 안에 둘러 싸여 있다. 페텍과 동료 연구원들은 금속 원자들(cluster)이 속이 빈 탄소 우리 안에 둘러싸인 형태로, 전자적 자극을 주면 여러 개의 구조 간을 회전할 수 있음을 발견했다.

이렇게 회전하면서 분자의 전기 전도도에 변화를 주게 되는데, 이것을 다른 말로 하면, 외부의 구형 탄소 '우리(cage)' 형태를 변화시키지 않고도 복수의 논리 상태 사이를 스위칭할 수 있다는 의미가 된다. 페텍에 의하면 이 개념은 또한 외부와 화학적인 영향을 받지 않고 분자가 작동할 수 있도록 한다고 된다고 한다.

한편, 전체적으로 탄소 '우리(cage)'는 구형으로 일정한 모양이기 때문에, 이번에 연구팀이 개발한 분자 스위치 프로토 타입(prototype, 원형)을 블록(bloc)처럼 겹쳐서 약 1 나노미터(머리카락 굵기의 10만 분의 1 정도) 크기의 대규모 병렬식 컴퓨터 구조로 통합할 수도 있다.

이 프로토 타입은 Sc3N@C80 분자를 써서 시연했는데, 한쪽은 원자 수준의 평평한 구리 산화물 기질(基質)을 전극으로 쓰고, 다른 한쪽은 원자 규모의 날카로운 텅스텐 탐침을 전극으로 이들 두 전극 사이에 샌드위치처럼 끼워 시연했다. 전압 펄스를 가하자 등변(等邊) 삼각형 모양의 Sc3N이 6개의 논리 상태 사이를 '예측 가능하게' 회전할 수 있었다고 한다.

또 이 연구는 페텍이 리더했으며 독일 드레스덴 라이프니츠 고체물리연구소의 화학자들과 중국 헤페이 과학기술 대학 이론물리학자들의 공동 연구로 수행됐다. 실험은 피츠버그 물리천문학과 박사 후 연수 과정인 티안 황과 연구 조교수 민 펭이 수행했다.