산화하프늄, 산화지르코늄 기반 인공초격자의 투과전자현미경 분석 결과 이미지. 한국연구재단 제공 국내 연구팀이 에너지 변환·저장 소자에 응용할 수 있는 인공 물질을 개발했다.
한국연구재단은 박민혁 부산대 교수, 황철성 서울대 교수 연구팀이 광학기기나 장식품 등에 쓰이는 플루오라이트(청색의 인광을 방출하는 광물) 구조를 기반으로 인공초격자를 개발했다고 18일 밝혔다.
인공초격자는 원자들을 인공적으로 배열해 새로운 구조를 만드는 기술로, 자연에 존재 하는 재료로는 구현할 수 없는 특성을 구현할 수 있다. 이 때문에 인공 초격자를 기반으로 한 신소재는 기존 재료의 한계를 극복할 것으로 큰 관심을 받고 있다.
그러나 기존에 연구됐던 인공초격자 물질의 경우 페로브스카이트 구조라는 비교적 복잡한 화학적 조성과 구조를 기반으로 한 물질로 이뤄져 제작 공정과 응용에 어려움이 많았다. 더 간단한 조성을 가진 인공초격자를 만들었을 때 차별화된 특성을 보일 수 있는 신소재를 찾는 것은 현재 과학계의 큰 관심사이지만 연구는 미진한 상황이다.
이에 연구팀은 순수한 상태에서는 강유전성, 반강유전성 등을 보이지 않는 것으로 알려진 산화하프늄, 산화지르코늄을 원자층 단위로 제어하기 위해서 원자층을 하나하나 세밀하게 조절 할 수 있는 ‘원자층 증착법’이라는 기술을 도입했다. 비교적 만들기 쉬운 세라믹 박막재료인 산화하프늄과 산화지르코늄을 0.5 나노미터 두께의 원자층 단위로 번갈아가며 쌓아 올려 극성 인공초격자를 제작했다.
두 물질 층의 두께를 제어함으로써 강유전성, 반강유전성 등의 특성을 갖는 인공초격자 구조를 만든 것이다. 나아가 두 물질을 일정한 두께로 반복한 인공초격자 형태에서 강유전성이 나타나는 것을 확인하고 그 이유를 규명했다. 전기 없이도 자발적인 분극상태를 갖는 강유전성은 전원이 꺼져도 정보가 유지되는 메모리 소자용 소재로 이상적이다. 분극상태란 이온성 결정에서 양이온과 음이온의 평균 위치가 불일치할 때 표면에 유도되는 단위면적당 전하량을 일컫는다.
연구팀은 실제 연구로 만들어진 인공초격자 물질을 커패시터 소자에 적용하기도 했다. 그 결과 기존 박막 형태에 비해 잔류분극 성능이 10% 향상됐음을 확인했다. 연구팀의 기술은 3차원의 나노스케일 구조에도 쉽게 형성되고 실리콘 기판과 같은 반도체 산업계의 표준물질과 우수한 호환성을 가진다는 장점이 있으며 기존 연구와 차별화된 실용적인 인공 초격자에 대한 원천 기술을 확보했다는데 의의가 있다. 또 현재 자연계에 존재하는 재료로 구현하지 못하는 특성을 이 인공적인 격자를 이용해 구현하는 것이 가능할 것으로 기대된다.
과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 글로벌프론티어 사업과 삼성미래기술육성센터의 지원으로 수행된 연구성과는 국제학술지 어플라이드 피직스 리뷰(Applied Physics Reviews)에 11월 8일자로 게재됐다.
김미진 기자 kmj0044@ggilbo.com
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