국내연구진, 다중강성 물질 새로운 전기적 물성 첫 발견

[산업일보]
국내연구진이 전기적 성질과 자기적 성질을 동시에 갖는 다중강성 물질 비스무스철산화물(BiFeO3)의 전하수송 특성과 광기전력 효과를 세계 최초로 발견했다.
관련 논문은 세계적 과학 학술지 사이언스(Science) 誌 온라인 판에 20일 게재됐다.

미국 럿거스대 물리학과 정상욱 석좌교수와 동 대학 박사후연구원 최택집 박사, 한국원자력연구원 중성자과학연구부 이성수 박사 연구팀은 단결정 비스무스철산화물(BiFeO3)에 외부 전기장에 의해 전하 수송 방향이 조절되는 다이오드 특성과, 빛을 조사하면 기전력이 발생하는 광기전력 효과가 있음을 세계 최초로 발견했다.

다중강성(多重强性, multiferroic)이란, 강유전성(ferroelectricity, 전기장을 가하지 않아도 자연상태에서 전기 편극을 띠는 성질)과 강자성(ferromagnetism, 외부 자기장이 없는 상태에서도 자성을 띠는 성질)을 동시에 띠는 성질을 말한다. 일반 물질이 강유전성과 강자성 중 한 성질만 띠는 것과 달리, 두가지 성질을 동시에 갖는 다중강성 물질은 차세대 메모리 소자 등 미래 신소재 및 소자에 활용될 것으로 기대되고 있다.

이번 연구에서 정 교수 팀은 세계 최초로 상온에서 다중강성의 특성을 갖는 커다란 크기의 단결정 비스무스철산화물(BiFeO3)을 합성하는데 성공하고, 이를 이용해서 단결정 BiFeO3 내부의 전하수송 특성과 전기분극 현상 간의 상관성 연구를 수행, 외부에서 가하는 전기장의 크기와 방향에 따라 단결정 BiFeO3 내부의 전하분극 방향이 변화하고 전하수송 현상을 조절할 수 있는 다이오드 특성을 발견했다. 단결정 BiFeO3의 다이오드 특성 규명은 세계 최초의 연구성과로 이러한 특징은 향후 전자소자 개발에 직접 응용될 수 있다.

정 교수 팀은 또한 무공해 에너지로 각광받고 있는 태양전지(solar cell) 분야에 응용 가능한 광기전력 효과(photovoltaic) 특성을 단결정 BiFeO3에서 발견했다. 기존의 태양전지는 금속과 반도체의 접촉면 또는 실리콘 반도체의 p-n 접합에 빛을 조사하면 광전효과에 의해 광기전력이 발생하지만, 정 교수팀은 다중강성을 띤 물질 자체의 고유 성질에 의해 광기전력이 발생함을 입증했다.

정 교수 팀의 연구성과는 다중강성 물질 연구의 새로운 연구 방향을 제시하고, 미래 산화물 전자소자/소재 개발과 관련 산업에 영향을 줄 것으로 기대된다. 특히 새롭게 발견한 단결정 비스무스철산화물의 전기적 및 광기전력 특성을 활용하면 지금까지 알려진 것과 전혀 다른 신개념의 복합기능 소자 개발이 가능할 것으로 보인다. 정 교수 팀의 이번 연구는 미국 과학재단(NSF)와 한국학술진흥재단의 지원을 받았다.

연구팀의 리더인 정상욱 미국 럿거스대 석좌교수는 지난 1995년 이후 네이처(Nature) 지에 8편, 사이언스(Science) 지에 1편, 피지컬 리뷰 레터(Physical Review Letters) 지에 79편의 논문을 발표했으며, 1,000회 이상의 피인용 횟수를 기록한 논문을 보유하고 있는 세계적으로 지명도가 높은 고체 물리학자다. 정 교수의 논문 500여 편의 총 피인용 횟수만도 2만4,000회에 이르며, 2003년에는 ‘10년간 세계에서 13번째로 많은 피인용도를 기록한 물리학자'로 선정되기도 했고, 지난해 말 KBS 선정 과학기술 분야 해외동포상을 수상했다. 강상관작용전자계(强相關作俑電子系) 신물질 합성분야의 세계적 권위자인 정 교수는 이번 논문에 교신저자로 참여했다.

이번 논문의 제1저자는 최택집 박사이며, 제2저자로 참여한 이성수 박사는 지난해 12월 1일 한국원자력연구원으로 옮겨 중성자 이용 자성구조 및 결정구조 분석, 자기구조 및 격자구조 분석, 신물질 합성 연구 등을 수행하고 있다. 이번 논문은 이성수 박사가 한국원자력연구원에 몸담기 전에 이룬 연구성과를 토대로 한 것이다.