일상생활에서 매일 접하는 스마트폰은 해가 갈수록 디스플레이가 더욱 선명해지고 있다. 이 배경에는 점차 작아지는 이미지 화소가 있다. 더욱 깊이 들어가 보면 작아지면서도 성능은 높이는 새로운 소재의 특성이 필요하다. 기존 실리콘 소재에서 새로운 특성을 가진 산화물 반도체 소재를 활용한 소자들이 개발되면서 스마트폰의 성능이 극대화되는 것이다.

신소재공학과 손준우 교수가 이끄는 산화물 양자 소재 연구실은 금속과 산소가 결합하는 산화물 반도체 소재를 연구한다. 주기율표를 보면 왼쪽에는 금속이 있고 산소는 오른쪽에 있다. 이 원소들이 결합을 하면 이온 결합을 이루는 매우 단단한 산화물이 된다. 이와 동시에 기존 공유 결합 기반의 실리콘 반도체가 구현하지 못하는 새로운 물성을 만들어내게 된다. 이와 같은 신소재를 다양한 소자에 적용하면 미래 반도체, 에너지 절감 소자와 같은 획기적 성능을 보이는 소자를 개발할 수 있다.

연구실이 주목하는 산화물 소재는 크게 3가지다. 하나는 주석금속과 결합하는 산화물로 투명하면서도 전자가 빠르게 움직이는 소재다. 고해상도 디스플레이, 이미지 센서나 고속 스위칭 소자에 적합하다. 타이타늄 계열 산화물은 자발적 분극 현상을 보이며 비휘발성 메모리 소자 개발에 필요한 강유전성을 가진다. 바나듐 산화물은 절연체와 도체를 빠른 속도로 오가는 특성을 보여 고성능 스위치 소자나 민감한 센서에 활용된다.

연구실은 아주 얇은 산화물층을 원자 단위로 쌓아올리고, 이를 고에너지 전자빔을 이용해 실시간으로 관찰하는 진공장비를 구축했다. 다양한 산화물 소재를 마치 레고 쌓듯이 설계한 대로 원하는 두께와 층으로 쌓아 올리는 것이다. 나노미터 단위에서 물질을 합성하고 원하는 물성을 극대화하면서 새로운 소재 기초연구가 이뤄지고 고성능의 소재가 개발된다. 그 결과는 국제학술지 ‘네이처 머티리얼스’, ‘네이처 커뮤니케이션’ 등에 발표되기도 했다.

연구실은 이를 바탕으로 삼성전자나 LG전자, 삼성전기 등 국내기업과 공동연구도 진행중이다. 올해는 한국연구재단의 기초연구실 과제를 수행하게 되면서 탄탄한 기초연구 기반을 마련한 만큼 국내 소재와 부품산업에서 요구되는 어려움을 해결하기 위한 역할을 맡는다는 목표다. ‘신소재가 소자의 특성에 중요한 역할을 한다’는 철학을 가진 구성원들이 서로 협동하며 소자에 주목하는 대신 소재를 이용해 소자의 성능을 획기적으로 바꾸는 것을 목표로 한 연구를 수행하고 있다.