실리콘과 호환되는 플루오라이트(형석) 구조 인공초격자 개발
광학기기나 장식품에 쓰이는 형석, 메모리 및 에너지 소자용 신소재 응용 기대
□ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 박민혁 교수(부산대학교), 황철성 교수(서울대학교) 연구팀이 광학기기나 장식품 등에 쓰이는 플루오라이트* 구조를 기반으로 인공초격자를 개발, 메모리 디바이스 및 에너지 변환·저장 소자로 응용할 수 있는 실마리를 찾아냈다.
○ 원재료를 인공초격자 형태로 적층, 원래 재료에서 나타나지 않는 전기분극을 유도, 비휘발성 메모리 소자, 에너지 저장 및 변환 소자, 센서 등에 응용할 수 있는 실마리를 제시한 것이다.
※ 플루오라이트(형석, 螢石 , fluorite) : 플루오린화 칼슘(CaF2)에서 나타나는 등축 결정계 광물로 청색의 인광을 방출한다.
□ 차세대 물질 구조로 주목받는 인공초격자는 원자들을 특정하게 배열,자연에 존재하는 물질이 가질 수 없는 특성을 구현할 수 있다.
○ 최근에는 조성이 간단하고 만들기 쉬운 플로오라이트(산화하프늄, 산화지르코늄 등) 구조 기반 물질이 주목받고 있다.
○ 하지만 서로 다른 두 물질을 적절하게 섞어 박막으로 만드는 것이 대부분이었고 인공초격자로 합성하려는 연구는 시작단계에 있다.
□ 연구진은 비교적 만들기 쉬운 세라믹 박막재료인 산화하프늄과 산화지르코늄을 0.5 나노미터 두께의 원자층 단위로 번갈아가며 쌓아 올려 극성 인공초격자를 제작했다.
○ 나아가 두 물질을 일정한 두께로 반복한 인공초격자 형태에서 강유전성*이 나타나는 것을 확인하고 그 이유를 규명해 냈다. 전기 없이도 자발적인 분극*상태를 갖는 강유전성은 전원이 꺼져도 정보가 유지되는 메모리 소자용 소재로 이상적이다.
※ 강유전성 : 외부에서 전기를 가하지 않아도 2개 이상의 자발적인 분극상태를 가질 수 있어 전원이 꺼져도 저장된 정보가 유지되는 메모리 소자용 소재로 이상적이다. Pb(Zr,Ti)O3. SrBi2Ta2O9, P(VDF-TrFE) 등 여러 가지 소재가 쓰이고 있다.
※ 분극(polarization) : 이온성 결정에서 양이온과 음이온의 평균 위치가 불일치할 때 표면에 유도되는 단위면적당 전하량에 해당된다.
□ 실제 만들어진 인공초격자 물질을 커패시터 소자에 적용한 결과 기존 박막 형태에 비해 잔류분극 성능이 10 % 향상되었다.
○ 특히 반도체 표준물질인 실리콘 기판과 호환성을 지녀 실리콘 기판 위에 직접 인공초격자를 형성할 수 있는 단초가 될 것으로 기대된다.
□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 글로벌프론티어 사업과 삼성미래기술육성센터의 지원으로 수행된 이번 연구성과는 국제학술지 어플라이드 피직스 리뷰(Applied Physics Reviews)에 11월 8일 게재되었다.
