기초연, 강유전체의 구조와 유전분극 현상 분석기술 개발

전기장을 가하지 않아도 전기분극을 띠는 강유전체의 구조와 유전분극 현상을 분석하는 기술이 개발돼 차세대 메모리 및 복합 산화물 기능소자 개발에 한발 다가섰다.

한국기초과학지원연구원은 25일 전자현미경연구부 김영민 박사가 강유전체 특성을 갖는 산화물 박막 재료의 구조와 유전분극 현상을 ‘수차보정 투과전자현미경’을 활용해 원자단위에서 동시에 분석할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다.

기존 분석기술로는 수십 나노미터 크기 이상의 재료에서만 유전분극 현상을 관찰할 수 있었던 반면, 이번 기술로 원자단위에서 일어나는 분극 현상을 직접 관찰할 수 있게 된 것.

그뿐 아니라 산화물 유전체의 단위 격자(unit cell)내 미세한 구조 변화도 피코메타(picometer, 1조분의 1미터) 정밀도로 측정할 수 있게 돼 재료의 ‘구조와 물성’ 사이의 상관관계를 다각적으로 이해할 수 있는 새로운 연구 방법을 마련했다고 기초연 측은 설명했다.

일례로 전형적인 다중강성체인 비스무스철산화물(BiFeO3) 박막 재료가 경계면 지역에서는 수 나노미터 크기의 반강유전체로 바뀔 수 있다는 사실을 최초로 밝혀 복합 산화물 기능소자 개발의 새로운 가능성을 이번 연구 논문을 통해 제시했다.

김 박사는 “이번에 개발된 분석기술을 사용하면 박막형 전자소자의 구조와 성질을 연구하는데 근본적인 정보를 제공하는 것이 가능할 전망”이라며 “향후 새로운 특성을 갖는 복합 산화물 기능소자 개발과 연관 산업 성장에 탄력을 줄 것으로 기대한다”고 밝혔다.

이번 연구 성과는 재료과학분야 전문 학술지인 ‘어드밴스드 머트리얼스(Advanced Materials)' 3월 18일자 온라인판에 게재됐다.

▲강유전체(强誘電體, Ferroelectrics)자연상태에서 전기장을 가하지 않아도 전기적 분극을 띠는 성질을 강유전성(强誘電性, ferroelectricity)이라 하고 이러한 성질을 갖는 물질을 강유전체라 한다. 외부전기장을 이용하면 강유전체의 분극 방향을 반대로 바꿀 수 있기 때문에 차세대 반도체 및 정보저장 소자에 활용된다.

▲유전분극 (誘電分極, dielectric polarization)절연체 속에서 양이온과 음이온의 분포가 평균적으로 어떤 한 방향으로 서로 어긋나 있어서 양극과 음극의 전기를 띠는 현상.

▲다중강성(多重强性, multiferroic)강유전성(强誘電性, ferroelectricity)과 강자성(强磁性, ferromagnetism, 외부 자기장이 없는 상태에서도 자성을 띠는 성질)을 동시에 띠는 성질을 말하며 비스무스철산화물(BiFeO3)이 대표적인 물질이다. 이러한 특성을 갖는 재료들은 전기적 신호를 통해 자기(磁氣)적 특성을 바꿀 수 있으며, 반대로 자기적 신호를 바꾸어 줌으로써 전기적 특성의 변화를 조절할 수 있기 때문에 차세대 비휘발성 메모리 소자에 활용이 기대된다.

▲반강유전체(反强誘電體, antiferroelectrics)자발적인 분극을 갖는 물질이긴 하나 양극과 음극의 분포가 단위 격자(unit cell)를 기준으로 역평행으로 교차 배열됨으로써 상쇄 효과가 나타나서 외견상으로는 분극 현상을 나타내지 않는 물질이다.