국내 연구진이 누르는 힘만으로 전기 분극을 자유롭게 제어하는 기술을 개발했다.

기초과학연구원(원장 김두철, IBS)는 노태원 단장과 박성민 연구원, 숙명여자대학교 양상모 교수연구팀이 강유전체 수평 방향 분극을 제어하는 데 성공했다고 지난 21일 밝혔다.

스마트폰 내부엔 다양한 소자들이 들어 있다. 이 중 많은 소자들은 압전효과로 전기장을 유도한다. 어떤 물질에 한쪽 방향으로 균일한 힘을 가할 때 전하들의 분포가 바뀌어 전기장이 생기는 압전효과 덕분이다.

특히 산업 전반에는 ‘레드-지르코늄-타이타네이트'(PbZrxTi1-xO3)’ 같은 압전체 물질이 널리 활용되지만 이 물질에는 납 등의 유해한 물질이 있어 대체재 개발이 필요한 실정이다.

이에 연구진은 물질이 휘어졌을 때, 내부에 분극이 발생하며 유도되는 ‘변전효과’에 주목했다.

하지만 일반적으로 고체물질을 휘었을 때 나타나는 변전장의 크기는 매우 미약했기 때문이다. 많은 경우, 휘어지지 못하고 깨지거나 부서져 변전효과 연구는 유연한 물질에 국한되어 왔다.

2011년 노태원 강상관계 물질 연구단 단장 연구진은 물질이 나노미터 크기로 작아질 경우, 매우 큰 변전효과가 발생할 수 있다는 사실을 발견했다.

이에 연구진은 8가지 방향 전기적 분극을 가지고 자기적성질과 탄성도를 지닌 강유전체인 비스무스산화철(BiFeO₃)을 나노박막 형태로 증착한 뒤, 주사탐침현미경의 탐침(Tip)으로 나노박막에 기계적인 힘을 가해 박막 내부의 분극 변화를 관찰했다.

그 결과 탐칩의 이동 방향에 따라 비스무스산화철 내부의 분극 방향이 달라지는 것을 확인했다. 연구진은 이번 연구로 수평 방향의 분극도 변전효과로 제어할 수 있음을 처음으로 확인했다.

연구진은 탐침이 지나가는 방향에 따라 강유전체 내부 분극 방향이 전환되는 현상을 ‘후행 변전장’이라는 새로운 개념으로 제안했다. 변전효과를 이용해 강유전체의 수평 방향 분극을 선택적으로 제어하면서 위-아래 한쪽방향으로만 제어가 가능했던 기존 연구의 한계를 극복했다.

공동 교신저자인 양상모 숙명여대 교수는 “고체 중 압전효과를 가지는 물질 그룹은 20개인데 반해 변전효과는 32개 그룹 전체에 나타날 수 있어 적용범위가 매우 넓다”며 “작아질수록 전기장 유도효과가 커지는 성질을 이용한다면 초소형 소자 개발이나 기계적 힘을 이용하는 새로운 방식의 강유전체 메모리 소자 제작에 활용될 수 있다”고 전망했다.

한편, 이번 연구결과는 나노 기술 분야의 세계 최고 학술지 '네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology, IF 38.986)' 온라인판에 영국시간으로 지난 12일에 게재됐다.