- 성균관대 김윤석·최우석 교수팀, 부산대 박민혁 교수…다양한 강유전체 초박막 연구 집대성

-『재료과학 및 공학 보고(Materials Science and Engineering R: Reports)』 초청 게재

부산대학교·성균관대 공동연구진이 미래 컴퓨팅 및 에너지 유망 소재로 각광받고 있는 다양한 강유전체 물질의 초박막에 대한 기존 연구를 집대성한 리뷰논문을 발표했다.

박민혁 김윤석 최우석 교수

부산대학교(총장 차정인)는 재료공학부 박민혁 교수가 성균관대학교 신소재공학부 김윤석 교수 및 물리학과 최우석 교수 연구팀과 함께 선행연구 500건 이상을 분석한 ‘강유전체 초박막(Ultrathin Ferroelectrics)’에 관한 초청 리뷰논문을 네덜란드의 세계적인 출판사 엘스비어(Elsevier)에서 발행하는 재료공학 분야 저명 학술지인 『재료과학 및 공학 보고(Materials Science and Engineering R: Reports)』(IF: 26.625) 온라인판 5월 21일자에 게재했다고 26일 밝혔다.

‘강유전체(强誘電體)’는 자연 상태에서 스스로 두 개 혹은 그 이상의 전기분극을 가지는 물질로, 외부에서 가해지는 전계(전기장)에 따른 양이온과 음이온의 상대적 위치 변화로 분극 상태를 변화시킬 수 있다. 양과 음의 분극은 1과 0이라는 디지털식 정보로 전환이 가능하다. 이러한 전기적 분극을 활용해 비휘발성(전원을 꺼도 정보가 사라지지 않음)으로 정보 저장이 가능하며, 정보 저장의 집적도를 획기적으로 높일 수 있어 최근 신소재로 각광받고 있다.

강유전체는 고전적 컴퓨팅 시스템의 에너지 효율 문제를 개선할 수 있는 로직메모리 융합소자와 차세대 신경모방 컴퓨팅향 소자(해당 컴퓨팅 분야의 응용을 위해 사용되는 소자)에의 적용도 기대되고 있다. 기계적·열적·전기적 특성들이 상호 보완적으로 연계돼 있어, 다양한 형태의 에너지를 전기에너지로 변화시켜 신재생에너지를 만들 수 있으며, 압력·온도 등의 변화를 감지하는 센서 등의 응용도 가능하다.

특히 나노미터(nm, 10억분의 1미터) 수준의 ‘강유전체 초박막’은 전자 장치의 소형화에 대한 요구가 증가함에 따라 미래 반도체 소자용 유망 핵심 재료로서 학계와 산업계의 큰 관심을 얻고 있다. 기존 실리콘 기반 반도체 기술과 높은 적합성을 가진 형석 구조 강유전체 신소재의 발견과 함께 신경모방메모리를 비롯한 미래 컴퓨팅 시스템 도입을 위한 연구도 활발히 진행되고 있다.

강유전체 초박막은 빛을 전기에너지로 변환시킬 수 있는 광전 소자나 압력을 전기에너지로 변화시킬 수 있는 압전 나노발전기 (Piezoelectric nanogenerator) 등의 소자로 유망한 특성들이 다수 보고되고 있다. 또한, 이러한 에너지 변환 특성은 4차 산업혁명의 핵심 기술 중 하나인 센서 소자의 구현에도 활용될 수 있다.

지난 20년간 강유전체 초박막은 이론적 계산과 실험적 합성 및 측정 기술의 발전으로 빠르게 발전해 왔다. 그러나 원자 수준으로 제어된 초미세구조 강유전체의 합성과 그에 대한 정밀한 전기·물리·화학적 특성의 측정은 여전히 어려운 과제로 학자들의 연구대상이 되고 있다.

이에, 이번 리뷰논문에서는 강유전체 초박막에 관한 최첨단 연구를 요약했다. 연구팀은 500편 이상의 기존 연구를 분석해 강유전체의 역사와 기본 메커니즘을 살펴봤다.

특히 복잡한 전이 금속 산화물 강유전체 초박막, 이차원 강유전체*, 형석 구조 강유전체** 초박막 등을 다루며, 초박형 강유전성의 한계를 확인하는 데 사용되는 특성화 기술에 대한 논의와 강유전체 초박막의 다양한 출현 특성을 기반으로 하는 장치 애플리케이션에 대해 소개하는 등 해당 분야 연구 동향과 전반적인 정보와 전망을 제공한다.

* 이차원 강유전체: 기존 3차원 구조 기반의 강유전체와 달리 1개의 원자층만으로도 우수한 강유전성을 발현할 수 있는 특징을 가지며, 이상적으로 강유전체가 달성할 수 있는 최소 스케일의 강유전체 박막으로서 학계의 많은 관심을 얻고 있다.

* * 형석 구조 강유전체: 형석(CaF2)과 같은 구조를 가지며 금속인 하프늄이나 지르코늄이 산화된 물질로 벌크 상태에서는 일반적인 유전물질의 특성을 보이나 수～수십 nm 두께 이하의 박막 상태에서 강유전성을 가지는 것이 2011년 처음 발견된 이후 학계 및 산업계의 큰 관심을 얻고 있다.

이번 연구는 성균관대 김윤석(교신저자) 교수팀의 주도로 이뤄졌으며, 성균관대 최우석 교수와 부산대 박민혁 교수가 공동교신저자로 참여했다.

이 연구는 정부에서 한국연구재단을 통해 지원하는 중점연구소지원사업, 창의도전연구기반지원사업, 중견연구자지원사업, 신진연구자지원사업, 차세대지능형반도체기술개발사업과 삼성전자 종합기술원의 지원을 받았다.

김민정 기자 min55@kookje.co.kr