[University of Saskatchewan] AMDR Lab
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Advanced Materials/Devices Research (AMDR) 랩은 캐나다 중부 대평원 지역인 사스캐처원(Saskatchewan)주의 최대 도시인 사스카툰(Saskatoon)에 위치한 University of Saskatchewan, 물리 및 공학물리학과(Department of Physics and Engineering Physics)에 소속되어 있습니다. 지도교수인 장갑수 교수는 연세대학교 물리학과에서 학부 및 석·박사를 마친 후 미국 University of Tennessee at Knoxville에서 박사후 연구원으로 있으면서, Lawrence Berkeley National Laboratory내 Advanced Light Source 방사광가속기 연구소의 연 X-선 방출 분광기(Soft X-ray Emission Spectrometer) 개발에 참여하였고, 이후 캐나다 유일의 방사광가속기 연구소인 Canadian Light Source (CLS)가 사스캐처원 대학교에 건설되면서 2003년에 동 대학교로 옮겨 물리 및 공학물리학과 교수로 재직하고 있습니다.
AMRD 랩은 물질의 물리화학적 결합을 결정하는 전자의 분포구조 분석을 통해 다양한 첨단 소재들의 물리적, 광학적, 자기적 특성을 규명하고, 이 물질들을 차세대 전자소자, 고밀도 정보저장매체, 태양전지, 센서등에 적용하기 위한 소자개발 연구를 수행하고 있습니다. 연구진들은 사스캐처원 대학교에 소재한 CLS 연구소의 방사광가속기(Synchrotron)에서 생성된 X-선을 이용하여 첨단소재의 전자구조 및 미세 물리구조를 분석한 후, 이를 기반으로 AMDR 랩에 보유한 박막제조 장비와 전자 계측 장비, Solar simulator등을 사용하여 소자를 제작하고 디바이스 특성을 연구하고 있습니다.
AMDR 랩의 주요 연구분야는 X-선 흡수/방출 분광법(X-ray Absorption/Emission Spectroscopy)를 비롯한 다양한 방사광 기반의 전자구조 분광법과 밀도범함수 이론(Density Functional Theory)을 사용한 전자구조 계산을 적용하여 탄소 고분자 유기 반도체, 자성 산화물 반도체, 2차원 그래핀 물질, 생체 호환 반도체 및 태양전지용 광반응 소재의 전자구조와 적층구조 분석등이 있으며, 이 물질들을 이용한 다양한 소자의 표면 및 계면 연구를 디바이스 작동 메커니즘을 규명하고 성능개선에 필요한 물질의 디자인특성을 제시하는 연구를 수행하고 있습니다. 특히 탄소결합으로 구성된 유기물 반도체는 실리콘과 같은 무기 반도체에 비해 저비용으로 저온에서 대면적 박막증착이 용이한 경량 반도체로서 분자체의 화학구조에 따라 다양한 특성들을 구현할 수 있고 유연한 기판에 집적회로를 만드는 것이 가능하여 flexible electronics등 차세대 전자산업의 주요소재로 주목을 받고 있습니다. 하지만 유기화합물의 특성상 결정질의 규칙적인 적층성장이 어렵고, 낮은 전하이동도(charge mobility), 전하공핍층(charge depletion layer)의 부재등 여러 단점때문에 무기 반도체와 같은 고성능 전자소자의 구현이 어렵습니다. 저희 랩에서는 방사광 X-선의 선형편광성을 이용하여 유기반도체 박막의 적층성장구조와 highest occupied molecular orbital(HOMO)-lowest unoccupied molecular orbital(LUMO) 에너지 갭, 전자 준위 분포를 측정하므로써 이들 물질의 기초 물성을 규명하고 소자의 고성능 구현에 필요한 물성제어 방법을 연구하고 있습니다. 예를 들어 루브렌(Ruberene) 유기 반도체는 비평면 분자구조로 인해 증착된 박막은 비정질의 불규칙한 구조를 가지게 되는데 루브렌 박막아래에 펜타센(pentacene)박막을 버퍼로 증착함으로써 결정질을 향상시킬 수 있게 됩니다. 이렇게 만든 루브렌 박막의 HOMO-LUMO와 전자구조를 분석하여 금(Au)를 전극으로 사용하는 경우 루브렌 트랜지스터는 p형과 n형 작동이 모두 가능한 쌍극 전계 트랜지스터가 됨을 규명하였습니다(그림 1). 그리고 안트라센(anthracene) 모체에 다양한 반응기를 붙였을 때 반응기의 접합위치에 따라 결정질 향상이 좌우 되는 것을 bis(phenylethynyl)anthracene(BPEA) 유기 반도체에 알킬 반응기(Alkyl side group)를 다르게 결합시켜 밝히기도 하는 등(그림 2) 차세대 유기 전자소자의 성능을 최적화하기 위한 다양한 기초 물성연구들이 AMDR 랩에서 이루어 지고 있습니다.
Figure 1. DFT 계산으로부터 얻는 Rubrene 유기반도체의 LUMO 분포 경향, (b) 다양하게 적층성장한 루브렌 박막의 AFM 원자현미경 사진, (c) 다르게 적층성장된 루브렌 박막의 전자구조 스펙트럼.
Figure 2. BPEA 유기 반도체에 다르게 결합된 분자들에 대한 각분해 X-선 흡수 분광법 스펙트럼과DFT 계산으로 구한 이론 스펙트럼의 비교. 오른쪽 아래 스펙트럼을 통해 분자구조가 유사함에도 불구하고 HB-ant-HT와 HB-ant-THT의 경우에만 결정성을 띠는 것을 확인할 수 있다. 이 외에도 저희 연구실에서는 뛰어난 전기 및 열 전도성과 기계화학적 성질을 가지고 있어 미래 꿈의 소재로 주목받고 있지만, 가전자대(valence band)와 전도전자대(conduction band)가 특이점에서 연결되어 있어 반금속(semi-metal)의 특성을 가지는 단원자층 물질인 그래핀의 표면처리를 통해 에너지 갭을 조절하여 실질적인 반도체 특성을 구현하는 기법(그림 3)을 연구하는 등, 첨단 소재들의 기초적인 특성을 규명할 뿐만 아니라 실제로 전자소자 및 에너지 소자들에 활용할 수 있도록 능동적으로 필요한 물리적 성질을 발현하기 위한 물질개질 분야도 활발히 연구하고 있습니다.
Figure 3. 코발트 국소 표면처리(local area decoration)된 그래핀의 에너지밴드갭 개방메커니즘과 X-선 흡수/방출 분광법을 이용한 표면처리 그래핀 에너지갭의 실험적 검증되었습니다.
1907년에 설립되어 올해로 개교 111년을 맞는 사스캐쳐원 대학교는 한국에 많이 알려져 있지 않지만 캐나다의 15개 연구중심 종합대학(U-15 Group of Canadian Research Universities)의 하나로, 노벨 물리학상에 Gerhard Herzberg 박사와 화학상에 Henry Taube 박사등 두 명의 노벨상 수상자를 배출하고, 캐나다 방사광가속기 연구소(CLS)와 백신 및 전염성 질환 기구-국제 백신센터(The Vaccine and Infectious Disease Organization-International Vaccine Centre, VIDO-InterVac)등 국제적 연구시설을 갖춘 캐나다의 주요 대학입니다. 또한 23,000명의 학생들과 6,000명의 교직원이 소속된 사스캐처원 대학은 매서운 겨울 추위를 보내고 나면 여름에는 기온이 30도까지 올라가면서 쾌적한 날씨와 아름다운 캠퍼스로도 유명합니다.
AMRD 랩의 학생들은 연구실의 소자계측장비들로 각자의 연구 프로젝트와 관련된 소자 및 시료들을 제작한 후 CLS에서 전자구조 분석실험을 수행하고 있습니다. CLS의 빔라인에서 실험을 하기 위해서는 6개월전에 자신이 하고자 하는 연구주제와 실험계획을 설명하는 빔타임 신청서를 제출한 후 승인을 거쳐야 하기 때문에 학생들은 지도교수와 매주 개별 미팅과 랩 전체회의를 통해 미리 연구계획을 수립하고 토의합니다. 또한 AMDR 랩은 CLS외에도 미국 Advanced Light Source, 포항 방사광가속기 연구소등 외국에 소재한 방사광연구소 및 한국, 미국, 프랑스, 러시아, 일본의 여러 대학들과 공동연구를 수행하고 있어 소속학생들은 국제공동연구 환경속에서 다른 국가의 연구진들과 함께 교류하고 협업하는 기회를 가지고 있습니다.
[사진 좌로부터] 대학본부 전경과 캐나다 방사광가속기 연구소(CLS) 내부
■ 주소 : Department of Physics and Engineering Physics, University of Saskatchewan 116 Science Place, Saskatoon, SK S7N 5E2 Canada
■ TEL : +1-306-966-2768
■ 홈페이지 : http://amdr.usask.ca
■ 오시는길 : 한국에서 오시는 경우 벤쿠버를 경유하여 국내선으로 사스카툰에 도착하게 됩니다. 다운타운 근처에 있는 사스캐처원 대학교까지 Saskatoon John G. Diefenbaker airport에서 차로 15분가량 소요되며, Physics Building은 본관 옆에 위치해 있기 때문에 대학본부에서 내려서 걸어오시거나, 가까운 캠퍼스 주차장에서 오시면 됩니다. ^^
방사광가속기 연구소 규모가 정말 커 보이네요 한번 가서 보고싶네요