원자는 그대로, 쌓는 순서만 바꿨더니 ‘새 물성’이 생겼다

포스텍-숭실대 연구팀 첫 입증 원자 크기 조성, 층마다 배열 조절… 물성 훼손 없이 새로운 ‘극성’ 구현 전류 방향별 ‘저항 변화’ 현상 확인 “원자층 배열, 소재 설계의 새 변수” 국내 연구팀이 소재의 기존 장점을 훼손하지 않고 새로운 물성을 추가하는 첨단 소재 설계법을 구현했다. 전체 원자 구성 비율을 바꾸는 대신 원자들의 크기 조성이 층마다 연속적으로 변하도록 비대칭으로 배열해 원하는 물성을 추가로 부여하는 데 처음 성공한 것이다. 이번 성과는 전류가 한쪽 방향으로 흐를 때는 저항이 0인 초전도체 상태로, 반대 방향으로 흐를 때는 일반 금속 상태가 되는 ‘초전도 다이오드’ 소자처럼 기존 반도체 기반 전자소자의 한계를 뛰어넘을 기반 기술로 평가된다. 과학기술정보통신부는 이대수·이길호·최시영 포스텍 교수팀과 박세영 숭실대 교수 공동연구팀이 원자의 종류와 전체 양은 그대로 두고 쌓는 순서만 바꿔 소재에 새로운 성질을 더하는 방법을 제시했다고 2일 밝혔다. 연구결과는 1일(현지 시간) 국제학술지 ‘사이언스’에 공개됐다.● 원자 쌓는 순서 조절해 ‘극성’ 추가 원자 증착과 실시간 관측을 기반으로 원자층 단위로 성장을 제어하며 박막을 합성하는 과정. 이대수 포스텍 물리학과 교수 제공 소재에 새로운 물성을 추가하려면 없던 원소를 추가하거나 기존 원소의 비율을 바꾸는 것이 일반적인 방법이다. 이 과정에서 원래 소재의 장점이 약해지거나 사라지기 쉽다. 특히 소재에서 양전하(+)와 음전하(―)의 중심이 서로 어긋나 전기적 치우침과 방향성이 생기는 ‘극성’은 빛, 온도, 압력 등 외부 자극과 전기적 반응을 연결해 다양한 기능을 구현할 수 있는 토대가 된다. 극성은 금속성·자성·초전도성 등 다른 전자적 물성과는 하나의 물질 내에서 공존하기 어렵다. 각 물성에 유리한 구조가 달라 상충하기 때문이다. 연구팀은 결정 구조에서 특정 자리에 있는 원자의 비율을 층마다 조금씩 변화시키며 쌓는 ‘선택적 원자 기울기’ 설계 전략으로 전자적 물성을 유지하면서 극성을 더하는 방법을 고안했다. 먼저 두 종류의 금속 원자가 포함된 페로브스카이트 산화물의 결정 구조에 주목했다. 정육면체 단위의 결정 격자 구조에서 꼭짓점인 ‘A 자리’에 있는 금속 원자는 주로 격자의 크기를 결정하고 중심부인 ‘B 자리’는 전자의 이동 등 전자적 물성을 결정한다. 맨 아래층의 경우 A 자리에 작은 원자를 많이 넣고 위로 갈수록 큰 원자를 늘리는 식으로 A 자리 원자의 ...