플루오라이트, 실리콘과 호환되는 인공초격자 개발 성공

[산업일보]
차세대 물질 구조로 주목받는 인공초격자는 원자들을 특정하게 배열,자연에 존재하는 물질이 가질 수 없는 특성을 구현할 수 있다. 최근에는 조성이 간단하고 만들기 쉬운 플로오라이트(산화하프늄, 산화지르코늄 등) 구조 기반 물질이 주목받고 있다. 하지만 서로 다른 두 물질을 적절하게 섞어 박막으로 만드는 것이 대부분이었고 인공초격자로 합성하려는 연구는 시작단계에 있다.

한국연구재단(이사장 노정혜)은 박민혁 교수(부산대학교), 황철성 교수(서울대학교) 연구팀이 광학기기나 장식품 등에 쓰이는 플루오라이트 구조를 기반으로 인공초격자를 개발, 메모리 디바이스 및 에너지 변환·저장 소자로 응용할 수 있는 실마리를 찾아냈다.

원재료를 인공초격자 형태로 적층, 원래 재료에서 나타나지 않는 전기분극을 유도, 비휘발성 메모리 소자, 에너지 저장 및 변환 소자, 센서 등에 응용할 수 있는 실마리를 제시한 것이다.

연구진은 비교적 만들기 쉬운 세라믹 박막재료인 산화하프늄과 산화지르코늄을 0.5 나노미터 두께의 원자층 단위로 번갈아가며 쌓아 올려 극성 인공초격자를 제작했다.

나아가 두 물질을 일정한 두께로 반복한 인공초격자 형태에서 강유전성이 나타나는 것을 확인하고 그 이유를 규명해 냈다. 전기 없이도 자발적인 분극상태를 갖는 강유전성은 전원이 꺼져도 정보가 유지되는 메모리 소자용 소재로 이상적이다.

실제 만들어진 인공초격자 물질을 커패시터 소자에 적용한 결과 기존 박막 형태에 비해 잔류분극 성능이 10 % 향상됐다. 특히 반도체 표준물질인 실리콘 기판과 호환성을 지녀 실리콘 기판 위에 직접 인공초격자를 형성할 수 있는 단초가 될 것으로 기대된다.

박민혁 교수 연구팀은 “이 인공초격자는 단순히 산화하프늄과 산화지르코늄을 섞은 고용체 박막과 비교해서 더 향상된 성능을 보일 수 있는 것이 확인됐으며, 3차원의 나노스케일 구조에도 쉽게 형성되고, 실리콘 기판과 같은 반도체 산업계의 표준물질과 우수한 호환성을 가진다”며, “산화하프늄층과 산화지르코늄층의 비율을 조절해 특성을 제어할 수 있으며, 약 1:1의 비율에서 나타나는 우수한 강유전성은 이진법 기반의 메모리 소자에 응용이 가능할 것으로 기대된다”고 말했다.