차세대 전자소자 개발이 눈 앞으로 다가온 걸까요? 광주과학기술원 조지영 교수와 성균관대학교 김영민 교수 연구팀은 다중강성 박막에서 강유전성과 강자성이 발현되는 원리를 규명했다고 합니다. 이 성질들을 제어하면 전자소자를 개발하기 수월해진다고 하는데요. 이 연구 결과는 재료과학분야 국제학술지 <Advanced Fuctional Materials>에 표지 논문으로 선정되기도 했습니다.
다중강성은 강유전성과 강자성성질을 모두 갖는 성질을 말합니다. 강유전성은 전기장을 형성하는데요. 강유전성 물질은 컴퓨터 메모리칩 등에 사용됩니다. 강자성은 자성을 띠죠. 자성을 띠는 강자성 물질은 하드디스크 자기헤드부터 전기제품의 모터까지 다양하게 활용됩니다.
광주과학기술원의 이성수 연구원은 <이웃집과학자>와의 인터뷰에서 강유전성과 강자성에 대해 추가적으로 답변해주었는데요. 먼저 강유전성(ferroelectricity)은 "쉽게 말해 표면에 정전기가 항상 대전되어 있고, 외부 전기장으로 정전기의 방향을 간단히 바꿀 수 있다"고 말했어요. 또한 "강자성 물질은 표면에 자성이 항상 대전돼 있다"고 했습니다. 가장 대표적인 것이 자석이고 이를 이용하면 하드디스크의 자기헤드, 전기모터, 발전기 등에 응용할 수 있죠. 다중강성은 이 두 가지 성질을 모두 갖고 있는 신개념 소재입니다.
이성수 연구진은 "현재까지 다중강성 성질에 가장 가까운 물질로는 비스무스철산화물(BiFeO3)이 있는데, 이 물질은 상온에서 강유전성은 아주 크지만, 자성이 약해서 응용성에 많은 한계를 갖고 있습니다. 저희 연구팀은 이러한 다중강성 물질인 비스무스철산화물(BiFeO3) 박막의 산소원자 위치를 인위적으로 조절하는 방법을 개발하여 강유전성과 강자성의 크기를 기존대비 2배 이상 향상시키는 데 성공하였습니다. 따라서 다중강성 물질인 비스무스철산화물(BiFeO3) 박막의 응용 가능성을 크게 높일 수 있었습니다"라고 설명했습니다.
지금까지는 4나노미터 이하의 경계면 영역에서만 산소 원자 위치 조절이 가능했다고 보고했는데요. 그래서 강유전성과 강자성의 측정이 어려워 전자소자에서 응용성이 떨어진 바 있었습니다.
이번 연구에서는 고품질의 박막증착 기술을 개발해 40나노미터까지 비스무스철산화물(BiFeO3) 박막의 산소원자 위치를 강제로 움직이게 하는데 성공했다고 해요. 또한, 강유전성의 크기와 강자성 크기도 2배 이상 키우고 제어도 가능하게 해 새로운 전자소자에 사용할 수 있는 가능성이 훨씬 커졌다고 합니다.
