'원자층 순서만 바꿔 새 기능 추가' 소재설계법 개발

차세대 전자소자와 반도체 절연막, 열 센서 개발 원천기술 기대...사이언스지 게재

[파이낸셜뉴스] 같은 종류와 양의 원자를 쌓는 순서만 바꿔 재료의 기존 장점에 새로운 기능을 더하는 소재 설계법을 국내 연구진이 개발했다.

과학기술정보통신부는 포항공과대학교(POSTECH) 이대수·이길호·최시영 교수와 숭실대학교 박세영 교수 공동연구팀이 원자층의 조성 배열을 정밀하게 설계해 금속과 초박막 절연재료에 새로운 기능을 구현했다고 2일 밝혔다.

과기정통부의 '기초연구사업(핵심연구 및 선도연구센터)'으로 수행한 이번 연구 성과는 세계 최고 권위의 학술지인 '사이언스(Science)'에 2일 게재됐다.

연구팀에 따르면 기존에는 소재에 새로운 기능을 더하기 위해 새로운 원소를 섞거나 원소의 비율을 바꾸는 방법이 주로 활용됐다. 그러나 이 과정에서 재료가 원래 갖고 있던 기능이 달라지거나 사라질 수 있어, 재료의 장점을 유지하면서 새로운 기능을 더하는 데 어려움이 있었다.

연구팀은 재료의 전자적 성질과 관련된 원자는 그대로 두고, 크기가 다른 특정 원자의 비율을 두께 방향으로 원자층마다 조금씩 바꾸는 '선택적 원자 기울기' 설계법을 개발했다.

색이 서서히 달라지는 그라데이션처럼 두께 방향으로 원자의 비율에 차이를 주자, 원자들이 한쪽 방향으로 미세하게 치우치면서 재료 내부에 극성이 형성됐다. 원자층의 배열 순서를 뒤집자 극성의 방향도 반대로 바뀌었으며, 같은 종류와 양의 원자를 균일하게 섞은 재료에서는 이러한 방향성이 나타나지 않았다.

먼저 이 설계법을 금속 박막에 적용한 결과, 전기가 잘 흐르는 기존 성질을 유지하면서 전류를 한 방향으로 흘릴 때와 반대 방향으로 흘릴 때 저항이 다르게 나타났다. 원자층의 배열 순서를 바꾸면 저항 차이의 방향도 반전돼, 제작 단계에서 재료의 전기적 방향성을 조절할 수 있음을 확인했다. 이어 약 5.1나노미터(nm) 두께의 초박막 절연재료에 적용하자 누설 전류가 크게 줄었으며, 전기 에너지를 저장하는 능력은 높은 수준으로 유지됐다.

특히 온도 변화를 전기 신호로 바꾸는 성능이 비슷한 두께의 대표적인 비교 박막보다 약 100배 높게 나타났다. 원자층의 배열 순서를 뒤집으면 온도 변화로 발생하는 전기 신호의 방향도 함께 반전됐다.

이번 성과는 전류 방향에 따라 다르게 작동하는 전자소자, 누설전류를 줄인 차세대 반도체용 초박막 절연막, 온도 변화를 감지하는 적외선·열 센서 등의 개발에 활용될 것이라는 기대다.

연구를 총괄한 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.

[email protected] 연지안 기자