“누르는 힘만으로 강유전체 수평 분극 제어 성공” 양상모 교수, 네이처 나노테크놀로지에 논문 게재
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- 작성자 커뮤니케이션팀
- 보도일자 2018-04-02
우리대학 ICT융합공학부 응용물리전공 양상모 교수가 나노미터 단위에서 그 효과가 매우 커지는 ‘변전효과’를 이용해 세계 최초로 강유전체 수평 분극을 자유롭게 제어하는데 성공했다.
이번 연구는 양 교수가 기초과학연구원(IBS) 강상관계 물질 연구단(단장 노태원) 연구팀과 공동으로 수행했으며, 우리대학 교내연구지원사업의 지원을 받았다. 연구결과는 나노 기술 분야의 세계 최고 학술지인 Nature Nanotechnology (IF = 38.986)에 지난 3월 12일 온라인 게재됐다.
(논문명: Selective control of multiple ferroelectric switching pathways using a trailing flexoelectric field)
강유전체(ferroelectrics)는 어떤 온도 이하에서 외부 전기장이 없더라도 두 개의 구별 가능한 분극(polarization) 상태를 가지는 물질로, 특히 외부 전기장에 의해 두 상태 (즉 분극 업/다운) 간의 스위칭이 가능하다. 이러한 두 분극 상태는 ‘0’과 ‘1’의 비트 (bit)로 이용될 수 있기 때문에 차세대 비휘발성 메모리 물질로써 지난 수십 년간 활발히 연구되어 왔다.
양 교수와 IBS 연구팀은 강유전 분극을 제어함에 있어 전기장 없이 누르는 힘만으로 가능한 변전효과(flexoelectric effect)에 주목했다. 변전효과란, 균일하지 않은 힘이 가해져 물질이 휘어졌을 때, 물질 내부에 전기적 분극이 발생하는 것을 말한다. 보통 딱딱한 고체에 힘을 가하면 휘어지기보다는 부서지기 때문에, 그동안 변전효과에 대한 연구는 유연한 물질에 국한되었다. 하지만, 나노미터 크기로 작아지게 되면 매우 큰 변전효과가 발생할 수 있다는 보고가 최근 잇따르고 있고 이에 많은 연구자들이 활발히 연구하고 있다.
공동 연구진은 먼저 강유전 물질 비스무스산화철(BiFeO3)을 나노박막 형태로 증착한 뒤, 주사탐침현미경(scanning probe microscope, SPM)의 탐침(tip)으로 박막에 힘을 가하며 내부의 분극 변화를 관찰했다. 그 결과, 아주 얇고 뾰족한 탐침으로 나노박막을 누르며 움직이면 탐침의 이동방향에 따라 비스무스산화철 내부의 분극 방향을 180도와 71도로 선택적으로 제어할 수 있다는 흥미로운 사실을 발견했다 (그림 참조).
(참고그림1. 눌러진 SPM 탐침의 이동 방향에 따른 비스무스철산화물의 분극제어. 자세한 것은 논문을 참고하기 바람. 출처: Nature Nanotechnology(2018), doi:10.1038/s41565-018-0083-5）
연구진은 탐침이 지나가는 방향에 따라 강유전체 내부 분극 방향이 바뀌는 현상을 ‘후행 변전장(trailing flexoeletric field)’이라는 새로운 물리적 개념을 정립하여 설명하였다. 이후 위상장 시뮬레이션 기법(phase field simulation)으로 저명한 미국 펜실베니아 주립대학교의 첸(L. Q. Chen) 교수와 함께 실험 결과를 이론적으로 입증하는데 성공했다.
이번 연구는 세계 최초로 변전효과를 이용해 강유전체의 수평 방향 분극을 선택적으로 제어했다는 점에서 큰 의의가 있다. 양상모 교수는 “고체 중 압전효과를 가지는 물질 그룹은 20개인데 반해, 변전효과는 32개 물질 그룹 전체에서 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.