정보는 전자와 광을 이용함으로써 점점 더 작은 부품으로 처리되고 전달된다. 독일 막스 플랑크 고체 상태 연구소(Max Planck Institute for Solid State Research)는 단일 분자를 이용해서 전기적 펄스를 광 펄스로 변환시킬 수 있는 새로운 광원을 개발했다. 여기서 분자는 빛의 강도를 조절할 수 있는 트랜지스터 제어된 광 스위치로서 기능한다. 여기서 분자는 광의 강도를 조절할 수 있는 트랜지스터로 제어되는 광 스위치로서 기능한다. 분자 스위치는 빛을 지극히 빠르게 온/오프할 수 있기 때문에, 광원은 전기 신호를 기가헤르츠 주파수를 가진 광 신호로 전환하는 나노-부품의 프로트타입으로서 활용될 수 있다.

유기 염료 위에 빛을 비출 때 카펫, 신문, 옷의 색상은 그대로 반영하지 않는다. 현재, 그들은 스마트폰 스크린 속의 유기 광발광 다이오드의 전기적 광원으로 스스로 빛난다. 그러나 디스플레이는 실제 광원(픽셀)을 따라서 밝기가 조절되는 트랜지스터를 포함한다. 막스 플랑크 고체 상태 연구소, Max Planck EPFL Center, 카를스루에 공과대학(Karlsruhe Institute of Technology)의 연구진은 단일 분자 속에 두 개의 기능들을 결합시켰다.

이번 연구진은 벅민스터플러렌스(Buckminsterfullerenes)의 층 위에 염료 분자를 위치시킴으로써 집적 트랜지스터를 제어하는데 성공했다. 벅민스터플러렌스는 구상 탄소 분자들로 구성되어 있다. 탄소 구조의 층은 금과 같은 금속 캐리어로 코팅되는데, 이것은 전극으로서 활용된다. “염료 분자 위의 2차 전극으로서, 우리는 주사 터널링 현미경의 팁을 사용했다”고 Klaus Kuhnke가 말했다. “그러나 2차 금속 층으로도 적합한 역할을 할 수 있다.” 그러나 이번 연구진은 이동할 수 있는 팁을 사용했기 때문에 각각의 분자들의 놀라운 특성을 발견할 수 있었다. 이번 연구진이 실제로 수행한 것은 팁으로 표면을 스캔하는 것이었고, 이것은 방출된 빛을 측정할 수 있게 했다. “이 프로세스의 경우에, 우리는 빛이 염료 분자 위에 생성된다는 것을 발견했다”고 Kuhnke가 설명했다.

이번 연구진은 주사 터널링 현미경의 팁과 금 캐리어 간의 전압, 두 개의 전기 접촉 간의 거리로 분자 위의 전기장을 조절하였다. 이것은 나노미터당 2.5볼트를 초과한다면, 램프는 켜진다. 그러나 분자는 빛을 on/off로 전환하지 않는다. 이것은 빛의 강도를 지속적으로 조절할 수 있게 하고, 몇 밀리볼트를 이용해서 더 밝게 하거나 더 어둡게 할 수 있다. 따라서 이것은 광 발광 트랜지스터와 유사한 범위로 기능하게 한다.

전기 에너지는 전환 프로세스에서 광 에너지를 직접적으로 전환되는 것이 아니라, “플라즈몬에 의해서 간접적으로 전환된다. 이것은 금속 표면 위에 포집되는 광파를 이용해서 가능하고, 표면 불규칙 때문에 방사성을 가질 수 있다. 그들의 도움으로, 더 많은 정보는 광을 가진 것보다 광의 형태로 작은 공간 속에 전달되거나 처리될 수 있다. 플라즈몬은 100나노미터보다 더 폭이 좁은 금속 트랙을 따라서 움직일 수 있는데, 이에 반해서 광섬유는 그들이 전달하는 빛의 파장의 적어도 절반 정도는 되어야 한다.

유기 분자는 금속 표면 위에 포집되고 방사상의 광파의 생성에 결정적인 역할을 한다: 분자 위치에서 전기장 속의 최소한의 변화는 빛이 생성되는지 그렇지 않는지를 결정한다. 이것은 빛이 가진 디지털 정보를 전달할 수 있는 나노램프를 만들 수 있게 한다. 여기서 “light on”은 1을 나타내고 “light off”는 0을 나타낸다. “분자의 전기장에 대한 작은 조절은 빛으로 방출되어 메시지를 전달하는데 큰 영향을 끼친다”고 Klaus Kuhnke가 말했다. 임계값 이상의 광원이 전압 속의 매우 작은 변화로 on이 되기 때문에, 전환 프로세스는 지극히 빠르게 발생한다: 이것은 1 초의 10억 분의 1 이하가 걸리고, 기가헤르츠 범위에서 비트 속도로 데이터 전달을 가능하게 할 수 있다.

단일 분자에 의한 빛 강도의 제어는 광 스위치 속도에 결정적이다. 기계적 광은 레버(lever)에 의해서 작동되고, 이런 레버가 점점 무거워질수록 한 개의 스위칭 위치에서 또 다른 스위칭 위치까지 전환되는데 더 많은 힘이 든다. 광 전환 구성요소가 점점 더 클수록 “기생” 커패시터를 충전하는데 더 많은 시간과 에너지가 필요하다. 여기서, 분자의 매우 작은 크기가 도움이 된다: 이것은 단일 분자의 환경에서 충전하는데 거의 어떤 추가적인 에너지 비용도 필요하지 않는다. 단일 분자는 수백 밀리볼트의 매우 작은 전압을 가진 백만 분의 1 밀리미터의 크기로 구성되어 있다. 전환 프로세스는 매우 빠르다. “이러한 분자 광원은 정보 전달을 위한 새롭고 효과적인 부품으로 매우 유망하다. 생성된 광이 약할 수 있지만 육안으로 분명하게 식별할 수 있다”고 Klaus Kuhnke가 말했다. 이 연구결과는 저널 Nano Letters에 “Dynamic Control of Plasmon Generation by an Individual Quantum System”이라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1021/nl502413k).

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

정보는 전자와 광을 이용함으로써 점점 더 작은 부품으로 처리되고 전달된다. 독일 막스 플랑크 고체 상태 연구소(Max Planck Institute for Solid State Research)는 단일 분자를 이용해서 전기적 펄스를 광 펄스로 변환시킬 수 있는 새로운 광원을 개발했다. 여기서 분자는 빛의 강도를 조절할 수 있는 트랜지스터 제어된 광 스위치로서 기능한다. 여기서 분자는 광의 강도를 조절할 수 있는 트랜지스터로 제어되는 광 스위치로서 기능한다. 분자 스위치는 빛을 지극히 빠르게 온/오프할 수 있기 때문에, 광원은 전기 신호를 기가헤르츠 주파수를 가진 광 신호로 전환하는 나노-부품의 프로트타입으로서 활용될 수 있다.

유기 염료 위에 빛을 비출 때 카펫, 신문, 옷의 색상은 그대로 반영하지 않는다. 현재, 그들은 스마트폰 스크린 속의 유기 광발광 다이오드의 전기적 광원으로 스스로 빛난다. 그러나 디스플레이는 실제 광원(픽셀)을 따라서 밝기가 조절되는 트랜지스터를 포함한다. 막스 플랑크 고체 상태 연구소, Max Planck EPFL Center, 카를스루에 공과대학(Karlsruhe Institute of Technology)의 연구진은 단일 분자 속에 두 개의 기능들을 결합시켰다.

이번 연구진은 벅민스터플러렌스(Buckminsterfullerenes)의 층 위에 염료 분자를 위치시킴으로써 집적 트랜지스터를 제어하는데 성공했다. 벅민스터플러렌스는 구상 탄소 분자들로 구성되어 있다. 탄소 구조의 층은 금과 같은 금속 캐리어로 코팅되는데, 이것은 전극으로서 활용된다. “염료 분자 위의 2차 전극으로서, 우리는 주사 터널링 현미경의 팁을 사용했다”고 Klaus Kuhnke가 말했다. “그러나 2차 금속 층으로도 적합한 역할을 할 수 있다.” 그러나 이번 연구진은 이동할 수 있는 팁을 사용했기 때문에 각각의 분자들의 놀라운 특성을 발견할 수 있었다. 이번 연구진이 실제로 수행한 것은 팁으로 표면을 스캔하는 것이었고, 이것은 방출된 빛을 측정할 수 있게 했다. “이 프로세스의 경우에, 우리는 빛이 염료 분자 위에 생성된다는 것을 발견했다”고 Kuhnke가 설명했다.

이번 연구진은 주사 터널링 현미경의 팁과 금 캐리어 간의 전압, 두 개의 전기 접촉 간의 거리로 분자 위의 전기장을 조절하였다. 이것은 나노미터당 2.5볼트를 초과한다면, 램프는 켜진다. 그러나 분자는 빛을 on/off로 전환하지 않는다. 이것은 빛의 강도를 지속적으로 조절할 수 있게 하고, 몇 밀리볼트를 이용해서 더 밝게 하거나 더 어둡게 할 수 있다. 따라서 이것은 광 발광 트랜지스터와 유사한 범위로 기능하게 한다.

전기 에너지는 전환 프로세스에서 광 에너지를 직접적으로 전환되는 것이 아니라, “플라즈몬에 의해서 간접적으로 전환된다. 이것은 금속 표면 위에 포집되는 광파를 이용해서 가능하고, 표면 불규칙 때문에 방사성을 가질 수 있다. 그들의 도움으로, 더 많은 정보는 광을 가진 것보다 광의 형태로 작은 공간 속에 전달되거나 처리될 수 있다. 플라즈몬은 100나노미터보다 더 폭이 좁은 금속 트랙을 따라서 움직일 수 있는데, 이에 반해서 광섬유는 그들이 전달하는 빛의 파장의 적어도 절반 정도는 되어야 한다.

유기 분자는 금속 표면 위에 포집되고 방사상의 광파의 생성에 결정적인 역할을 한다: 분자 위치에서 전기장 속의 최소한의 변화는 빛이 생성되는지 그렇지 않는지를 결정한다. 이것은 빛이 가진 디지털 정보를 전달할 수 있는 나노램프를 만들 수 있게 한다. 여기서 “light on”은 1을 나타내고 “light off”는 0을 나타낸다. “분자의 전기장에 대한 작은 조절은 빛으로 방출되어 메시지를 전달하는데 큰 영향을 끼친다”고 Klaus Kuhnke가 말했다. 임계값 이상의 광원이 전압 속의 매우 작은 변화로 on이 되기 때문에, 전환 프로세스는 지극히 빠르게 발생한다: 이것은 1 초의 10억 분의 1 이하가 걸리고, 기가헤르츠 범위에서 비트 속도로 데이터 전달을 가능하게 할 수 있다.

단일 분자에 의한 빛 강도의 제어는 광 스위치 속도에 결정적이다. 기계적 광은 레버(lever)에 의해서 작동되고, 이런 레버가 점점 무거워질수록 한 개의 스위칭 위치에서 또 다른 스위칭 위치까지 전환되는데 더 많은 힘이 든다. 광 전환 구성요소가 점점 더 클수록 “기생” 커패시터를 충전하는데 더 많은 시간과 에너지가 필요하다. 여기서, 분자의 매우 작은 크기가 도움이 된다: 이것은 단일 분자의 환경에서 충전하는데 거의 어떤 추가적인 에너지 비용도 필요하지 않는다. 단일 분자는 수백 밀리볼트의 매우 작은 전압을 가진 백만 분의 1 밀리미터의 크기로 구성되어 있다. 전환 프로세스는 매우 빠르다. “이러한 분자 광원은 정보 전달을 위한 새롭고 효과적인 부품으로 매우 유망하다. 생성된 광이 약할 수 있지만 육안으로 분명하게 식별할 수 있다”고 Klaus Kuhnke가 말했다. 이 연구결과는 저널 Nano Letters에 “Dynamic Control of Plasmon Generation by an Individual Quantum System”이라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1021/nl502413k).