한미연구진, 구조변화 없이 전기적 특성만 변하는 물질 첫 개발
성균관대 이재찬 교수 "금속-절연체 상전이서 결정구조적-전기적 변화 분리"
(서울=연합뉴스) 이주영 기자 = 한국과 미국 공동연구진이 물질의 결정구조는 전혀 변하지 않고 온도 변화에 따라 도체-절연체 상전이를 일으키는 물질을 처음으로 개발했다.
성균관대 신소재공학과 이재찬 교수는 30일 미국 위스콘신-매디슨 주립대 엄창범 교수·이대수 박사팀과 함께 강상관계 물질(strongly correlated electron material)인 이산화바나듐(VO₂) 금속-절연체 상전이에서 결정구조적인 변화와 전기적 변화를 분리, 결정구조 변화 없이 순수 전기적 상전이를 보이는 물질을 만들었다고 밝혔다.
상전이(Phase transition)는 물질이 온도, 압력, 외부 자기장 등 일정한 외적 조건에 따라 상태가 한 상(phase)에서 다른 상으로 바뀌는 현상으로, 이때 전기적 특성 등 물성도 변하게 된다.
강상관계 물질은 물질 내 전자 간 상호작용이 커서 일반 도체나 반도체와 다른 독특한 특성을 보인다. 특히 도체에서 절연체로 변화(금속-절연체 전이) 할 수 있어 주목되는데, 이를 이용하면 단일 물질로도 전원을 켜고 끄는 디지털 특성을 가질 수 있다.
하지만 문제는 금속-절연체 전이 도중 전기적 특성뿐 아니라 결정구조도 함께 변해 전이 속도가 제한되기 때문에 고속 작동 소자로 응용하는 데 한계가 있다는 점이다.
연구팀은 실험연구와 계산과학 연구를 통해 대표적인 강상관계 물질인 이산화바나듐의 금속-절연체 상전이에서 결정구조적인 변화와 전기적 변화를 분리하는 데 성공했다. 또 이를 통해 오직 전기적 변화만 일어나는 금속-절연체 상전이 물질도 최초로 개발했다.
이산화바나듐은 바나듐(V)과 산소(O)가 1대2로 결합한 형태(VO₂)지만 이 비율을 1대 1.9(VO₂-δ)처럼 미세하게 조정하면 금속-절연체 상전이가 나타나는 온도가 달라진다.
연구팀은 상전이 온도가 서로 다른 두 가지 이산화바나듐을 각각 수 나노미터(㎚=10억분의 1ｍ) 두께의 박막으로 만들고 이를 겹쳐 접합구조를 만드는 방법으로 결정구조 변화를 동반하지 않고 금속-절연체 상전이가 일어나게 하는 데 성공했다.
이재찬 교수는 "이 연구 접근법은 강상관계 물질에 일반적으로 적용할 수 있을 것으로 예상된다"며 "전기적 변화만 이용하게 돼 반도체 트랜지스터보다 많은 전류를 빠르게 흐르게 하는 모트트랜지스터나 펨토초(fs=1천조분의 1초) 단위의 전자 스위치 등 신규 소자로 응용될 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.
과학기술정보통신부 기초연구지원사업(개인연구)과 한국과학기술정보연구원(KISTI) 슈퍼컴퓨터지원사업 지원으로 수행된 이 연구 결과는 국제학술지 '사이언스'(Science, 11월 30일자)에 게재됐다.
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