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한국연구재단, 실리콘 기판 호환성 높인 ‘플루오라이트 인공초격자’ 개발

[대전세종충남=아시아뉴스통신] 이기종기자 송고시간 2019-11-19 14:06

광학기기나 장식품 등에 쓰이는 플루오라이트 구조를 기반으로 인공초격자를 개발해 메모리 디바이스 및 에너지 변환·저장 소자로 응용할 수 있는 실마리를 제시한 부산대 박민혁 교수팀, 서울대 황철성 교수팀 등의 연구는 국제학술지 어플라이드 피직스 리뷰(Applied Physics Reviews)에 11월 8일 게재됐다.(자료출처=어플라이드 피직스 리뷰/제공=부산대 박민혁 교수팀)

[아시아뉴스통신=이기종 기자] 한국연구재단(NRF)은 부산대 재료공학과 박민혁 교수팀이 황철성 교수팀(서울대)과 공동으로 광학기기나 장식품 등에 쓰이는 플루오라이트 구조를 기반으로 인공초격자를 개발해 메모리 디바이스 및 에너지 변환·저장 소자로 응용할 수 있는 실마리를 제시했다고 19일 밝혔다.

원자들을 인공적으로 배열해 새로운 구조를 만들면 자연상에 존재하는 재료로는 구현할 수 없는 특성을 구현할 수 있기 때문에 인공 초격자를 기반으로 한 신소재는 기존 재료의 한계를 극복할 신소재로 큰 관심을 받고 있다.

그러나 기존에 연구가 됐던 인공초격자 물질의 경우에는 페로브스카이트 구조라는 비교적 복잡한 화학적 조성과 구조를 기반으로 한 물질로 이루어져 제작 공정 및 응용에 어려움이 많았다.

이에 더 간단한 조성을 가지면서도 인공초격자를 만들었을 때 차별화된 특성을 보일 수 있는 신소재를 찾는 것은 현재 과학계의 큰 관심사 중 하나이다.

이러한 연구 속에서 나타난 산화하프늄이나 산화지르코늄 등의 플루오라이트(형석, fluorite) 구조 기반의 물질은 비교적 간단한 조성과 구조로 제작이 용이하며 반도체 산업의 표준 물질인 실리콘 기판과 질화타이타늄 전극 등과 우수한 호환성을 가진다.

하지만 해당 물질은 서로 다른 두 물질을 적당한 비율로 섞는 방식으로 제작된 박막들이 주로 연구됐고 인공초격자에 대한 연구는 미진했다. 
 
연구진은 이러한 제한점을 해결하기 위해 비교적 만들기 쉬운 세라믹 박막재료인 산화하프늄과 산화지르코늄을 0.5 나노미터 두께의 원자층 단위로 번갈아가며 쌓아 올려 극성 인공초격자를 제작했다.

연구과정을 보면 순수한 상태에서는 강유전성, 반강유전성 등을 보이지 않는 것으로 알려진 산화하프늄, 산화지르코늄을 원자층 단위로 제어하기 위해 원자층 증착법이라는 기술을 도입하여 인공초격자 구조를 성공적으로 제작했다.

이후 두 물질 층의 두께를 제어함으로써 강유전성, 반강유전성 등의 특성을 갖는 인공초격자 구조를 성공적으로 확인했다.

특히 서로 다른 두 물질층이 섞이지 않고 독립적으로 존재하고 있는 것을 확인할 수 있었다.

이 연구결과에 의하면 실제 만들어진 인공초격자 물질을 커패시터 소자에 적용한 결과 기존 박막 형태에 비해 잔류분극 성능이 10 % 향상됐다.

이로 인해 연구진은 반도체 표준물질인 실리콘 기판과 호환성을 지녀 실리콘 기판 위에 직접 인공초격자를 형성할 수 있는 단초가 될 것으로 분석했다. 

박민혁 교수는 “기존 연구와 차별화된 실용적인 인공 초격자에 대한 원천 기술을 확보함으로써 현재 자연계에 존재하는 재료로 구현하지 못하는 특성을 이 인공적인 격자를 이용해 구현하는 것이 가능할 것으로 기대된다”고 말했다.

이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 글로벌프론티어 사업과 삼성미래기술육성센터의 지원으로 수행됐고 국제학술지 어플라이드 피직스 리뷰(Applied Physics Reviews)에 11월 8일 게재됐다.



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