원자층 재배열, 차세대 반도체용 초박 절연막 제조 길 열었다
물질의 기본 기능은 유지하면서도, 새로운 기능을 더하는 원자 설계법이 개발됐다. 과학기술정보통신부는 이대수·이길호·최시영 포항공과대학교(POSTECH) 물리학과 교수와 박세영 숭실대학교 박세영 교수 공동 연구팀이 원자층 조성 배열을 정밀하게 설계하고, 원자를 쌓는 순서를 바꿔 금속과 초박막 절연재료에 새로운 기능을 구현하는데 성공했다고 2일 밝혔다. 연구결과는 과학기술 분야 세계 3대 학술지 '사이언스(Science)'에 2일(현지시간 1일 오후2시,EDT) 게재됐다. 물질은 원자 종류와 원자층 배열에 따라 재료 특성이 결정된다. 그러나 이 물질에 새로운 원자를 배치하면, 재료 특성이 완전히 달라진다. 특히 금속은 전기가 잘 흐르는 성질을 유지하면서 원자들이 한쪽 방향으로 치우쳐 배열되는 '극성'을 함께 구현하기가 쉽지 않았다. 초박막 절연재료 역시 얇아질수록 전기가 쉽게 새어 나가, 얇은 두께와 높은 절연 성능을 동시에 확보하는데 한계가 있었다. 연구팀은 이에, 재료 성분 자체를 바꾸기보다 원자층을 쌓는 순서를 바꾸는 방안을 모색했다. 페로브스카이트 산화물에서 재료의 전자적 성질과 관련된 원자는 유지하면서, 크기가 다른 원자의 비율을 두께 방향으로 조금씩 변화시켜 기존 물성을 유지하면서도 새로운 기능을 구현할 수 있을까에 천착한 것. 방법과 결과는 만족스러웠다. 방법은 특정 원자 비율을 원자층마다 조금씩 변화시키는 '선택적 원자 기울기(Selective Atomic Gradient)' 설계 전략을 썼다. 한쪽에는 크기가 큰 원자가 많고 반대쪽으로 갈수록 작은 원자의 비율이 증가하도록 층층이 쌓자, 재료 내부 구조가 위치에 따라 점진적으로 변했다. 이 과정에서 원자들이 한쪽 방향으로 미세하게 이동하면서 재료 내부에 극성(polarity)이 형성됐다. 원자층 배열 순서를 반대로 만들면 극성 방향도 함께 반전됐다. 반면 같은 종류와 전체 양의 원자를 사용하더라도 층별 차이 없이 균일하게 섞은 재료에서는 뚜렷한 방향성이 나타나지 않았다. 연구팀은 "이를 통해 원소의 종류와 양뿐 아니라 원자층의 배열 순서 자체가 재료의 기능을 결정할 수 있음을 확인했다"고 설명했다. 연구팀은 먼저 전기가 잘 흐르는 (Sr,Ca)IrO₃ 박막에 선택적 원자 기울기를 적용했다. 그 결과 기존 금속성을 유지하면서도 전류를 한 방향으로 흘릴 때와 반대 방향으로 흘릴 때 저항이 다르게 나타났다. 또한 원자층 배열 순서를 반대로 만들면 저항 차이의 방향도 함께 반전돼, 원자층을 쌓는 순서를 통해 금속의 전기적 방향성을 제조 단계에서 제어할 수 있음을 확인했다. 약 5.1 nm 두께의 (Ba,Ca)TiO₃ 초박막 절연재료에 같은 방법을 적용한 결과 막을 통과해 새는 전류가 크게 감소하면서도 전기 에너지를 저장하는 능력은 높은 수준으로 유지됐다. 또한 작은 온도 변화를 전기 신호로 바꾸는 성능이 비슷한 두께의 대표적인 비교 박막보다 약 100 배 높게 나타났다. 원자층 배열을 반대로 만들면 온도 변화로 발생하는 전기 신호의 방향도 함께 반전됐다. 연구팀은 금속에서 구현한 전기적 방향성은 방향성 전자소자와 스핀트로닉스에, 초박막 절연재료의 낮은 누설전류와 높은 전기 저장 성능은 차세대 반도체용 초박막 절연막에 활용될 수 있을 것으로 내다봤다. 또 향상된 온도 감지 성능은 적외선·열 센서와 에너지 하베스팅 기술 등에 활용될 가능성이 있다고 전망했다. 연구를 총괄한 이대수 교수는 “새로운 원소를 더하지 않고도 원자를 쌓는 순서만 바꿔 재료의 원래 장점은 살리면서 새로운 기능을 더할 수 있음을 입증했다”며, “앞으로 이 방법을 자성체와 초전도체 등 더 다양한 물질로 확장하고, 초박막 절연막과 열 센서 등 실제 소자로 구현하는 후속 연구를 진행할 계획”이라고 밝혔다. 김성수 과기정통부 연구개발정책실장은 “물질의 근본적인 성질을 탐구하는 기초연구가 소재 설계의 새로운 해법으로 이어질 수 있음을 보여준 사례”라며, “연구자들이 창의적인 아이디어를 바탕으로 새로운 원리를 탐구하고 도전적인 연구를 이어갈 수 있도록 기초연구에 대한 지원을 아끼지 않을 것”이라고 덧붙였다.
