'같은 원자' 쌓는 순서만 바꿨더니…재료 한계 넘었다
이대수 포항공대 교수팀, 원자층 '그러데이션' 설계 기법 사이언스 발표
원자 배열 변화만으로 금속에 극성 부여…차세대 반도체·절연막 기술 기대
(서울=연합뉴스) 조승한 기자 = 소재를 이루는 원자를 쌓는 순서만 바꿔 기존 소재 장점에 새로운 기능을 더하는 새로운 소재 설계법을 국내 연구진이 처음으로 검증하고 개발했다.
과학기술정보통신부는 포항공대 이대수·이길호·최시영 교수와 숭실대 박세영 교수 공동연구팀이 원자층 조성 배열을 정밀 설계해 금속과 초박막 절연재료에 새로운 기능을 더하는 데 성공했다고 2일 밝혔다.
이번 연구는 세계 최고 권위 학술지 '사이언스'에 이날 실렸다.
소재에 새로운 기능을 더하기 위해 새로운 원소를 섞거나 원소의 비율을 바꾸는 시도가 많지만, 이 방법은 재료가 원래 갖고 있던 기능이 달라지거나 사라질 수 있는 문제가 있었다.
장점을 더하려다 기존 장점이 사라질 수 있는 셈이다.
특히 금속은 전기가 잘 흐르는 성질을 유지하면서 원자들이 한쪽으로 치우쳐 배열되는 '극성'을 함께 가지기 어려웠다.
이대수 교수는 "극성은 외부 자극과 전기적 반응을 연결하는 기반이 된다"며 "원자 전하의 배열에 어떤 방향성이 생기면 전기장, 빛, 온도, 힘 등과 같은 매우 다양한 외부 자극에 따라 극성 상태가 변하거나 반응하면서 다양한 기능성으로 이어질 수 있다"고 말했다.
연구팀은 크기가 다른 특정 원자의 비율을 두께 방향으로 원자층마다 조금씩 바꾸는 '선택적 원자 기울기' 설계법을 개발했다.
금속 원자가 정육면체로 배열된 중심에 다른 금속 원자가 있는 페로브스카이트 산화물에서 정육면체 배열을 이루는 원자 조성 비율을 층마다 조절하면서 '그러데이션'을 준 것이다.
이처럼 색이 서서히 옅어지듯 두께 방향으로 원자 비율에 차이를 주자 원자들이 한쪽으로 미세하게 치우치면서 재료 내부에 극성이 형성되는 것으로 나타났다.
이런 설계법을 금속 박막에 적용하자 전기가 잘 흐르는 기존 성질을 유지하면서도 전류를 한 방향으로 흘릴 때와 반대 방향으로 흘릴 때 저항이 다르게 나타났다.
원자층의 배열 순서를 바꾸면 저항 차이 방향도 바뀌어 방향성을 조절할 수 있는 것도 연구팀은 확인했다.
또 약 5.1나노미터(㎚, 10억분의 1m) 두께 초박막 절연재료에 이 기법을 적용하자 미세하게 새는 전류가 크게 줄어 전기 에너지 저장 능력이 높은 수준으로 유지되는 것도 확인됐다.
특히 온도 변화를 전기 신호로 바꾸는 성능이 비슷한 두께의 대표적인 비교 박막보다 약 100배 높게 나타났고, 원자층의 배열 순서를 뒤집으면 온도 변화로 발생하는 전기 신호의 방향도 함께 반전됐다.
연구팀은 전류 방향에 따라 다르게 작동하는 전자소자, 누설전류를 줄인 차세대 반도체용 초박막 절연막, 온도 변화를 감지하는 적외선·열 센서 등의 개발에 활용될 것으로 기대했다.
이대수 교수는 "전기 흐름의 방향을 바꾸는 것은 다이오드와 비슷하고, 다이오드는 반도체를 사용하는데 반도체는 전기 저항이 큰 물질"이라며 "비슷한 다이오드 특성을 전기 저항이 아주 작은 금속성 물질에서 구현했기 때문에 미래 소자 확보에 도움을 줄 수 있을 것"이라고 말했다.
그는 이번 기술이 대면적 박막 합성 방법에도 적용할 수 있고, 페로브스카이트 물질 외에도 전자적 물성을 결정하는 금속 원자를 고정한 채 다른 원자층 배열만 기울기를 주면 응용할 수 있다고 설명했다.
이대수 교수는 "새로운 원소를 더하지 않고도 원자를 쌓는 순서만 바꿔 재료의 원래 장점은 살리면서 새로운 기능을 더할 수 있음을 입증했다"며 "앞으로 이 방법을 자성체와 초전도체 등 더 다양한 물질로 확장하고, 초박막 절연막과 열 센서 등 실제 소자로 구현하는 후속 연구를 진행할 계획"이라고 밝혔다.
shjo@yna.co.kr
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