연구성과

물리 이대수 교수팀, 전기장, 전기 덜 쓰는 반도체 개발 이끌까

2024-01-25 197

[POSTECH·서울대·숭실대 연구팀, 금속성 물질 내 전기 분극과 극성 상태 유도 성공]

일반적으로 분극*1 현상과 극성*2 상태는 절연체에서 나타나는 특징이다. 금속에서도 분극과 극성을 유도할 수 있다면 반도체로 인한 전력 손실을 줄이고, 전자 기기에 내장된 배터리의 수명을 연장할 수 있다. 그 때문에 학계에서는 금속 내 분극과 극성을 구현하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있지만 현재 기술로는 한계가 있었다.

그런데 최근 물리학과 이대수 교수 · 서울대 물리천문학부 노태원 교수 · 웨이 펑(Wei peng) 박사, 숭실대 물리학과 박세영 교수 연구팀이 금속 내 분극과 극성 상태를 유도하고 제어하는 방법을 찾아 학계에 보고했다. 이번 연구는 물리 분야 국제 학술지인 ‘네이처 피직스(Nature physics)’ 온라인판에 지난 17일 게재됐다.

금속 내부에 있는 ‘자유전자’는 이름처럼 이동이 자유로워 전자가 특정한 방향으로 정렬되는 분극이나 극성 상태를 형성하기 어렵다. 또, 일반적으로 금속 결정은 양 끝이 서로 대칭인 구조를 이루기 때문에 양 끝의 전기적 효과가 상쇄되어 그동안 분극 현상과 극성 상태를 유도하는 데 어려움이 많았다.

이번 연구에서 연구팀은 금속에서도 분극 현상과 극성 상태를 구현하기 위해 ‘플렉소 전기장(Flexoelectric field)’을 사용했다. 이 전기장은 물체 표면이 불균일하게 변형될 때 발생하는 유사 자기장으로 금속의 경우 미세한 격자 구조를 변형시키면 전하의 이동이나 전기적 특성을 조절할 수 있다.

연구팀은 전자 소자나 반도체 분야에서 널리 활용되고 있는 루테륨산 스트론튬(SrRuO3)에 외부 압력을 가해 플렉소 전기장을 발생시켰다. 이 금속 산화물은 스트론튬과 산화루테륨의 서로 다른 모양의 결정이 같은 방향으로 성장하며, 중심 대칭 구조를 갖는 ‘이종구조 에피택시(heteroepitaxy)’ 물질이다.

플렉소 전기장은 루테륨산 스트론튬 내 전자 상호작용과 격자 구조를 변화시켰고, 그로 인해 금속의 전기적 · 기계적 특성이 바뀌며 중심 대칭 구조를 갖던 금속 내 분극화 현상을 유도하는 데 성공했다. 플렉소 전기장을 사용해 그동안 미스터리로 남아있던 금속 내 분극 · 극성 구현에 성공한 것이다.


연구를 이끈 이대수 교수는 ”금속 물질에서도 극성 상태를 보편적으로 구현할 수 있다는 것을 처음으로 검증했다“며, ”이번 연구가 반도체나 전기 분야에서 고효율을 가진 기기를 제작하는 데 도움이 되길 바란다“는 말을 전했다.

한편, 이 연구는 한국연구재단의 중견연구지원사업, IBS(기초과학연구원)의 지원으로 진행됐다.


1. 분극(Polarization)
물체나 물질 내에서 양성과 음성 전하가 특정 방향으로 정렬되는 현상을 말한다. 일반적으로 절연체에서만 나타나는 특징이다.

2. 극성(polarity)
물체나 물질이 양극과 음극으로 나뉜 상태를 나타낸다.