원자 배열만 바꿔 성능 뛰어넘은 신소재 개발
금속과 절연체의 한계를 넘은 선택적 원자 기울기 기술
한눈에 보기
- 포항공과대학교와 숭실대학교 공동연구팀이 같은 원자 종류와 양을 유지하면서 원자층의 쌓는 순서만 조절해 금속의 높은 전기전도성과 초박막 절연체의 전기적 방향성을 동시에 확보한 신소재 설계법을 개발했다.
- 선택적 원자 기울기 설계법을 통해 원자 비율을 두께 방향으로 층별로 변화시켜 극성을 유도했으며, 이는 원자 배열을 반대로 뒤집는 것만으로 전기 신호 방향을 반전시킬 수 있음을 보여줬다.
같은 종류와 양의 원자를 사용하면서도 쌓는 순서만 바꿔 금속과 초박막 절연체의 기존 한계를 뛰어넘는 새로운 소재 설계법이 개발됐다. 과학기술정보통신부는 포항공과대학교(POSTECH) 이대수·이길호·최시영 교수와 숭실대학교 박세영 교수 공동연구팀이 원자층의 조성 배열을 정밀하게 제어해 금속과 초박막 절연재료에 새로운 기능을 구현했다고 2일 밝혔다. 이번 연구결과는 국제학술지 사이언스(Science)에 게재됐다.
기존에는 소재에 새로운 기능을 부여하기 위해 다른 원소를 첨가하거나 원소 비율을 바꾸는 방법을 주로 사용했다. 문제는 이 과정에서 소재가 원래 갖고 있던 장점까지 변하거나 사라질 수 있다는 점이다. 전기가 잘 흐르는 금속 고유의 성질을 유지하면서 원자들이 한쪽으로 치우쳐 배열되는 극성을 동시에 구현하기는 어려웠다. 반도체 등에 사용되는 초박막 절연재료 역시 두께가 얇아질수록 전류가 새는 현상이 심해져 박막화에 한계가 있었다.
연구팀은 해법을 ‘원자를 어떤 순서로 쌓느냐’에서 찾았다. 재료의 전자적 성질을 결정하는 원자는 그대로 유지하면서 크기가 다른 특정 원자의 비율을 두께 방향으로 한 층씩 변화시키는 ‘선택적 원자 기울기(selective atomic gradient)’ 설계법을 개발했다. 색깔이 서서히 달라지는 그라데이션처럼 원자 비율에 층별 차이를 주자 원자들이 한쪽 방향으로 미세하게 치우치면서 극성이 만들어졌다. 원자층 배열을 반대로 뒤집으면 극성 방향도 함께 바뀌었다. 반면 같은 종류와 양의 원자를 균일하게 섞었을 때는 이 같은 방향성이 나타나지 않았다.
금속의 높은 전기전도성을 유지하면서도 전류가 흐르는 방향에 따라 저항이 달라지는 특성이 나타났다. 소재를 만드는 단계에서 전기적 방향성을 원하는 대로 설계할 가능성을 보여준 것이다. 약 5.1나노미터(㎚) 두께의 초박막 절연재료에서도 성능 향상이 확인됐다. 전기가 절연체 밖으로 새는 누설전류는 크게 줄면서 전기에너지를 저장하는 능력은 높은 수준을 유지했다. 특히 온도 변화를 전기 신호로 바꾸는 성능은 비슷한 두께의 대표적인 비교 박막보다 원자층 배열을 반대로 바꾸면 온도 변화로 발생하는 전기 신호 방향 역시 반전됐다.
이대수 교수는 “새로운 원소를 더하지 않고도 원자를 쌓는 순서만 바꿔 재료의 원래 장점은 살리면서 새로운 기능을 더할 수 있음을 입증했다”며 “자성체와 초전도체 등 다양한 물질로 확장하고 초박막 절연막과 열 센서 등 실제 소자로 구현하는 후속 연구를 진행할 계획”이라고 말했다.
한국 독자를 위한 맥락
그러나 이 과정에서 금속이 지닌 높은 전기전도성이나 절연체가 지닌 안정성 같은 원래의 장점이 훼손되는 문제가 있었다. 특히 전류가 흐르는 방향에 따라 저항이 달라지는 방향성 전자소자 개발은 전도성과 극성의 양립이 어렵다는 한계에 부딪혔다. 이번 연구는 이 문제를 해결하기 위해 원자 쌓는 순서 자체를 핵심 설계 요소로 삼았다.
연구팀은 원자층의 두께 방향으로 특정 원자의 비율을 서서히 변화시키는 ‘선택적 원자 기울기’ 설계법을 제안했다. 이는 원자 배열을 반대로 뒤집는 것만으로 극성 방향도 바뀔 수 있음을 보여주며, 소재의 전기적 특성을 설계 단계에서 정밀하게 조절할 수 있음을 의미한다.
기존에는 두께가 얇아질수록 전류가 새는 누설전류 문제가 심화되어 초박막 절연체의 응용이 제한됐다. 이는 반도체 소자에서 전력 손실을 줄이고, 소형화와 고성능을 동시에 달성할 수 있는 가능성을 열었다.
특히 온도 변화를 전기 신호로 변환하는 성능에서, 기존 대표적 박막 소재와 비교했을 때 원자 배열의 방향을 바꾸는 것만으로 전기 신호의 방향이 반전되는 현상이 관찰됐다. 이는 열 센서나 온도 기반 신호 처리 소자에서 방향성 제어가 가능함을 시사하며, 소자 설계의 유연성을 크게 높였다.
이러한 성과는 새로운 원소를 추가하지 않고도 원자 쌓는 순서만 조절해 소재의 본래 특성을 유지하면서도 새로운 기능을 부여할 수 있음을 입증했다. 이는 반도체 산업에서 소재 개발의 패러다임을 바꾸는 전환점이 될 수 있으며, 자성체나 초전도체 등 다양한 재료로 확장될 수 있는 기반이 마련됐다.