성균관대 이재찬 교수 "금속-절연체 상전이서 결정구조적-전기적 변화 분리"

(서울=연합뉴스) 이주영 기자 = 한국과 미국 공동연구진이 물질의 결정구조는 전혀 변하지 않고 온도 변화에 따라 도체-절연체 상전이를 일으키는 물질을 처음으로 개발했다.

성균관대 신소재공학과 이재찬 교수는 30일 미국 위스콘신-매디슨 주립대 엄창범 교수·이대수 박사팀과 함께 강상관계 물질(strongly correlated electron material)인 이산화바나듐(VO₂) 금속-절연체 상전이에서 결정구조적인 변화와 전기적 변화를 분리, 결정구조 변화 없이 순수 전기적 상전이를 보이는 물질을 만들었다고 밝혔다.

상전이 온도를 서로 다른 이산화바나듐 이종 구조의 모식도푸른색 원자가 낮은 상전이 온도를 가지는 이산화바나듐, 주황색 원자가 높은 상전이 온도를 가지는 이산화바나듐.(좌측, 중앙) 두 물질의 박막을 겹쳐 만든 이종 접합구조의 이산화바나듐에서 나타나는 구조변화 없는 금속-절연체 상전이. (우측) [과학기술정보통신부 제공]

상전이(Phase transition)는 물질이 온도, 압력, 외부 자기장 등 일정한 외적 조건에 따라 상태가 한 상(phase)에서 다른 상으로 바뀌는 현상으로, 이때 전기적 특성 등 물성도 변하게 된다.

강상관계 물질은 물질 내 전자 간 상호작용이 커서 일반 도체나 반도체와 다른 독특한 특성을 보인다. 특히 도체에서 절연체로 변화(금속-절연체 전이) 할 수 있어 주목되는데, 이를 이용하면 단일 물질로도 전원을 켜고 끄는 디지털 특성을 가질 수 있다.

하지만 문제는 금속-절연체 전이 도중 전기적 특성뿐 아니라 결정구조도 함께 변해 전이 속도가 제한되기 때문에 고속 작동 소자로 응용하는 데 한계가 있다는 점이다.

연구팀은 실험연구와 계산과학 연구를 통해 대표적인 강상관계 물질인 이산화바나듐의 금속-절연체 상전이에서 결정구조적인 변화와 전기적 변화를 분리하는 데 성공했다. 또 이를 통해 오직 전기적 변화만 일어나는 금속-절연체 상전이 물질도 최초로 개발했다.

이산화바나듐은 바나듐(V)과 산소(O)가 1대2로 결합한 형태(VO₂)지만 이 비율을 1대 1.9(VO₂-δ)처럼 미세하게 조정하면 금속-절연체 상전이가 나타나는 온도가 달라진다.

연구팀은 상전이 온도가 서로 다른 두 가지 이산화바나듐을 각각 수 나노미터(㎚=10억분의 1ｍ) 두께의 박막으로 만들고 이를 겹쳐 접합구조를 만드는 방법으로 결정구조 변화를 동반하지 않고 금속-절연체 상전이가 일어나게 하는 데 성공했다.

이재찬 교수는 "이 연구 접근법은 강상관계 물질에 일반적으로 적용할 수 있을 것으로 예상된다"며 "전기적 변화만 이용하게 돼 반도체 트랜지스터보다 많은 전류를 빠르게 흐르게 하는 모트트랜지스터나 펨토초(fs=1천조분의 1초) 단위의 전자 스위치 등 신규 소자로 응용될 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

과학기술정보통신부 기초연구지원사업(개인연구)과 한국과학기술정보연구원(KISTI) 슈퍼컴퓨터지원사업 지원으로 수행된 이 연구 결과는 국제학술지 '사이언스'(Science, 11월 30일자)에 게재됐다.

이재찬 교수(왼쪽)와 엄창범 교수(가운데)·이대수 박사 [과학기술정보통신부 제공]

scitech@yna.co.kr

[경제] 한미연구진, 구조변화 없이 전기적 특성만 변하는 물질 첫 개발

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