실리콘과 호환되는 플루오라이트 구조 인공초격자 개발… 신소재 응용 기대

광학기기나 장식품에 쓰이는 플루오라이트 기반
메모리·에너지 소자용 신소재 응용 실마리 제시

산화하프늄·산화지르코늄 기반 인공초격자의 투과전자현미경 분석 결과. (a)투과전자현미경을 이용한 산화하프늄·산화지르코늄 인공초격자의 이미지. (b)전극에 수직한 방향으로 분석된 하프늄 이온의 분포. (c-e)인공초격자의 고해상도 투과전자현미경 이미지. 한국연구재단 제공

한국연구재단은 부산대 박민혁 교수와 서울대 황철성 교수 연구팀이 광학기기나 장식품 등에 쓰이는 플루오라이트 구조를 기반으로 인공초격자를 개발, 메모리 디바이스와 에너지 변환·저장 소자로 응용할 수 있는 실마리를 찾아냈다고 밝혔다. 원재료를 인공초격자 형태로 적층, 원래 재료에서 나타나지 않는 전기분극을 유도해 비휘발성 메모리 소자, 에너지 저장·변환 소자, 센서 등에 응용할 수 있는 실마리를 제시한 것이다.

재단에 따르면 차세대 물질 구조로 주목받는 인공초격자는 원자들을 특정하게 배열, 자연에 존재하는 물질이 가질 수 없는 특성을 구현할 수 있다. 최근에는 조성이 간단하고 만들기 쉬운 플로오라이트(산화하프늄·산화지르코늄 등) 구조 기반 물질이 주목받고 있다. 하지만 서로 다른 두 물질을 적절하게 섞어 박막으로 만드는 것이 대부분이었고 인공초격자로 합성하려는 연구는 시작단계에 있다.

연구진은 비교적 만들기 쉬운 세라믹 박막 재료인 산화하프늄과 산화지르코늄을 0.5 나노미터 두께의 원자층 단위로 번갈아가며 쌓아 올려 극성 인공초격자를 제작했다. 나아가 두 물질을 일정한 두께로 반복한 인공초격자 형태에서 강유전성이 나타나는 것을 확인하고 그 이유를 규명해 냈다. 전기 없이도 자발적인 분극 상태를 갖는 강유전성은 전원이 꺼져도 정보가 유지되는 메모리 소자용 소재로 이상적이다.

실제 만들어진 인공초격자 물질을 커패시터 소자에 적용한 결과 기존 박막 형태에 비해 잔류분극 성능이 10% 향상됐다. 재단과 연구진은 반도체 표준물질인 실리콘 기판과 호환성을 지녀 실리콘 기판 위에 직접 인공초격자를 형성할 수 있는 단초가 될 것으로 보고 있다. 임효인 기자