비유전 물질 산소원자 결함 조절로 강유전체 변환 현상 규명

기초연 김영민 박사 연구 박막형 차세대 메모리 개발 길 열어

김영민 박사

아주경제 이한선 기자 = 국내연구진이 비유전 물질의 산소원자 결함을 조절하는 방식으로 강유전체로 변환하는 현상을 규명했다.

한국기초과학지원연구원은 전자현미경연구부 김영민 박사가 인공 초격자 산화물 내 산소원자 결함 분포에 따라 유전분극이 조절되는 메카니즘을 수차보정 전자현미경을 활용해 원자단위에서 처음 규명했다고 22일 밝혔다.

김 박사팀은 이번 연구를 통해 박막형태로 전자소자에 사용되는 강유전 산화물의 유전특성을 간단한 산소원자 결함 조절만으로 구현할 수 있다는 것을 입증해 박막형 차세대 메모리 및 전자소자 개발에 새로운 가능성을 연 것으로 평가된다.

김 박사팀은 자연상태에서 유전특성을 나타내지 않는 산화물 두 가지를 결합해 인공 초격자 재료를 만들고 이 초격자 재료의 결정 구조 내 산소원자 결함을 조절하게 되면 전기장을 가하지 않아도 스스로 전기분극을 만들어 내는 강유전체 물질로 변화된다는 사실을 전자현미경으로 처음 발견해 차세대 메모리 및 스위칭 기능소자로 활용할 수 있는 후보물질 개발에 새로운 전기를 마련했다.

연구성과는 나노과학분야 세계적 학술지인 나노레터스지 18일자 온라인판에 게재됐다.

김 박사가 미국 오크리지 국립연구소 연구팀과 공동 주도한 이번 연구는 두 기관이 함께 수행중인 수차보정 투과전자현미경 분석기술 공동개발의 일환으로 이뤄졌고 연구에 사용된 소재 개발은 미국 알곤 국립연구소가 담당했다.

이번 연구에 사용된 인공 초격자 산화물은 자연상태에서 자성을 나타내지만 유전 특성은 없는 물질인 란타늄페라이트(LaFeO3)2, 스트론튬페라이트(SrFeO3)의 두가지 물질들을 인위적으로 조합해 만들었고 이 물질 안에 산소원자 결함이 존재하면 자성은 유지되면서 유전성질이 새롭게 나타나는 현상을 밝혀냈다.

연구는 물질 안에 산소원자 결함을 형성하면서 실제 제조 공정상에서 산소 분압을 제어해 쉽게 조절 가능해 차세대 메모리 및 자장센서 소재로 각광 받고 있는 가운데 후보물질 발굴이 어려웠던 박막형 다중강성체 개발에 새로운 전기를 마련했다는데 의의가 있다.

기초연 전자현미경연구부 김영민 박사는 “이번에 전자현미경으로 규명된 새로운 물리 현상은 박막형 산화물 전자소자의 원천 연구에 중요한 정보를 제공할 것으로 전망된다”며 “향후 차세대 메모리, 스핀밸브 소자를 비롯한 새로운 특성을 갖는 전자소자 개발에 큰 모멘텀을 줄 것으로 기대한다”고 밝혔다.

이번 연구를 통해 발견된 새로운 현상은 물질의 원자구조를 확인하면서 유전성질을 함께 분석할 수 있는 기초지원연의 전자현미경 분석기술이 핵심적인 역할을 했다.

투과전자현미경으로 촬영된 란타늄페라이트/스트론튬페라이트((LFO)2/(SFO))의 인공초격자 원자 구조(왼쪽), 구조 내 철(Fe) 원자의 위치가 약 20피코미터(pm; 1조분의 1미터=10-12m ) 변위해 이온분극을 형성한 모습을 하단의 전산모사영상과 비교한 모습. 철 이온의 분극은 두 재료가 각기 따로 존재할 때는 일어나지 않는 현상으로 전자현미경 관찰에 의해 철 원자 주위에 산소 빈자리가 존재한다는 사실을 발견했고 이 산소 빈자리의 존재로 유전특성이 나타나는 것으로 규명됐다. 하단의 스케일 바는 1나노미터(nm; 10억분의 1미터=10-9m)