“원자는 그대로, 쌓는 순서만 바꿨는데”…韓 연구진, 금속·절연체 ‘성능 한계’ 깼다

[헤럴드경제=구본혁 기자] 같은 종류와 양의 원자를 사용하면서도 쌓는 순서만 바꿔 금속과 초박막 절연체의 기존 한계를 뛰어넘는 새로운 소재 설계법이 개발됐다. 새로운 원소를 첨가하지 않고 원자층 배열에 ‘그라데이션’을 주는 방식이다.

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.

대표적인 사례가 금속이다. 전기가 잘 흐르는 금속 고유의 성질을 유지하면서 원자들이 한쪽으로 치우쳐 배열되는 ‘극성’을 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.

금속 박막에 적용했을 때 효과는 뚜렷했다. 금속의 높은 전기전도성을 유지하면서도 전류가 흐르는 방향에 따라 저항이 달라지는 특성이 나타났다. 원자층 배열을 뒤집으면 저항 차이의 방향까지 반전됐다. 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 약 100배 높았다. 원자층 배열을 반대로 바꾸면 온도 변화로 발생하는 전기 신호 방향 역시 반전됐다.

이번 기술은 전류 방향에 따라 다르게 작동하는 방향성 전자소자와 스핀트로닉스뿐 아니라 누설전류를 줄인 차세대 트랜지스터용 초박막 절연막, 적외선·열 센서, 에너지 하베스팅 소자 등에 활용될 가능성이 있다.

연구팀은 선택적 원자 기울기 설계를 자성체와 초전도체 등 양자물질로도 확대할 계획이다. 기존 물성과 극성이 결합할 때 나타나는 새로운 양자·위상 물성을 찾아 원자 배열만으로 원하는 기능을 구현하는 범용 소재 설계기술로 발전시키겠다는 구상이다.

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.