<박시정 과학기술정보통신부 기초연구진흥과장>
안녕하십니까? 기초연구진흥과장 박시정입니다.

오늘 소개해 드릴 내용은 한국 시간으로 10월 2일 금요일 오전 3시 사이언스지에 게재되는 포항공과대학교 이대수 교수님 공동연구팀의 성과입니다.

그동안 소재에 새로운 기능을 더하기 위해서는 새로운 원소를 섞거나 원소의 비율을 바꾸는 방법이 주로 활용되었습니다. 그러나 이 과정에서 소재의 원래 있던 장점이 약해지거나 사라지는 어려움이 있었습니다.

연구팀은 같은 종류와 양의 원자를 사용하면서 원자층마다 원자의 비율이 조금씩 달라지도록 쌓는 방법에 주목했습니다. 이를 통해 소재의 기존 장점을 유지하면서 새로운 기능을 더할 수 있음을 확인하였습니다.

금속에서는 전기가 잘 흐르는 성질을 유지하면서 전류 방향에 따라 저항이 달라지는 현상을 구현하였습니다. 매우 얇은 절연 재료에서는 전기 누설을 줄이는 동시에 온도 변화에 따른 큰 전기적 반응을 확인하였습니다.

이번 연구는 원자층의 배열을 통해 소재의 기능을 설계하는 새로운 방법을 제시하였다는 데 의미가 있습니다. 앞으로 차세대 전자소자와 반도체 절연막, 열센서 개발에 활용될 것으로 기대됩니다.

오늘 발표하시는 이대수 교수님은 포항공과대학교 물리학과에 재직하고 계시며 약 20년간 응집물질물리학 분야에서 산화물 박막연구에 매진하며 원자층 수준의 정밀한 설계와 합성을 통해 새로운 물성과 기능을 구현하는 연구를 이어오셨습니다.

특히, 물질의 불균일한 변형으로 전기적 성질을 제어하는 변전성 연구를 개척해 오셨으며 이를 다양한 물질과 기능으로 확장해 오셨습니다.

그럼 연구 성과에 대한 자세한 내용은 이대수 교수님께서 직접 설명해 주시겠습니다. 감사합니다.


<이대수 포항공과대학교 물리학과 교수>
안녕하세요? 소개받은 포항공과대학교 물리학과 이대수라고 합니다.

그럼 지금부터 저희의 연구 성과에 대해서 말씀드리겠습니다.

그럼 간단하게 원자에 대해서 말씀드리자면 잘 아시다시피 원자는 물질의 기본 단위입니다. 그래서 보시다시피 원자들은 규칙적으로 배열이 되게 되고 그렇게 배열된 원자들이 물질을 구성하게 됩니다.

이는 물질을 구성하는 원자의 종류나 원자의 배열을 우리가 잘 이해하고 더 나아가서 인공적으로 설계하고 제어할 수 있다면 우리가 원하는 방향으로 물질의 성질이나 기능성을 구현할 수 있다는 말입니다.

그래서 이러한 기본을 바탕으로 저희 연구실에서는 물질을 구성하는 원자층을 설계하고 인공적으로 그 배열을 제어함으로써 흥미로운 물성을 그리고 흥미로운 기능성을 구현하고자 하는 기본적인 목표를 가지고 실험을 진행하고 있습니다.

그럼 어떻게 하면 물질을 구성하는 원자층의 배열을 설계하고 인공적으로 제어할 수 있을까에 대한 저희 연구실의 실험 기법에 대해서 간단하게 말씀드리겠습니다.

저희 연구실은 기본적으로 박막을 합성하고 박막의 물성을 연구하는 실험실인데요. 보시다시피 저희가 구현하고자 하는, 박막으로 구현하고자 하는 물질에 강한 에너지를 가하게 되면 그 물질이 플라즈마 상태로 분출되게 되고 그 물질이 위로 올라오면서 높은 온도로 가열된 기판 위에 조금씩 쌓이면서 박막이 성장되게 됩니다.

그리고 동시에 이렇게 박막이 성장되는 과정에서 옆에서 낮은 각도로 전자빔을 쏘아주게 되면 전자빔이 박막의 표면에서 반사되어 나옴으로써 그렇게 반사된 전자빔의 세기를 측정하게 되면 원자층이 성장되는 과정을 모니터링하면서 제어할 수 있게 됩니다.

여기서 그 과정을 간단하게 설명드리자면 처음 우리에게 굉장히 평탄한 원자층이 있다고 한다면 표면이 굉장히 매끈하기 때문에 여기서는 전자빔이 굉장히 잘 반사되고 반사된 전자빔의 세기가 굉장히 크게 됩니다.

하지만 원자층이, 추가적인 원자층이 쌓이는 과정에서 표면이 굉장히 거칠어지게 되고요. 이 과정에서는 표면에서의 난반사가 발생이 돼서 반사된 전자빔의 세기가 굉장히 약화되게 되고, 계속 이 원자층의 증착을 계속 진행하다 보면 추가적인 원자층이 완벽하게 다 쌓인 경우 다시 매끈한 표면이 복구되게 되어서 강한 반사된 전자빔의 세기가 복구되게 됩니다.

그래서 원자층이 한 층이 쌓이는 주기가 결국 이 반사된 전자빔의 세기 한 주기에 해당하고요. 그래서 이러한 주기 운동을 반복하는 반사된 전자빔의 세기를 측정하고 조절함으로써 이 원자층이 1층, 2층, 3층 쌓이는 과정을 모니터링하고 더 나아가서 제어할 수 있게 됩니다.

그럼 이렇게 원자층의 배열을 인공적으로 제어하는 방법을 통하여서 저희가 근본적으로 구현하고자 하는, 설계하고자 하는 물질은 다음과 같이 소위 다기능성 소재입니다.

다기능성 소재는 이름에서 알 수 있다시피 한 소재 안에 여러 가지 물성과 기능성을 가진 물질을 말하는데요. 예를 들어서 한 가지 물질 안에 전기적 기능성 혹은 자기적 물성 더 나아가서 광학적인 기능성과 열적인 기능성을 가질 수 있게 된다면 이러한 여러 가지 기능성이 있는 소재를 소자화한다면 소자를 소형화할 수 있고 기능 집적화가 가능합니다.

그리고 여러 가지 기능성이 동시에 있기 때문에 다양한 방법으로 이 소자를 구동이 가능하기 때문에 저전력·고효율의 소자 또한 구현이 가능합니다.

그래서 이러한 다기능성 소재는 굉장히 미래 첨단소재를 위해서 큰 잠재력을 갖고 있지만 근본적인 한계를 갖고 있습니다.

저희가 어떤 기존에 있는 물질에 어떤 추가적인 저희가 원하는 기능성을 더해 주기 위해서 보통 사용되는 방법은 그 기능성을 줄 거라고 예상되는 새로운 원소를 추가하는 방법인데요. 그 경우는 많은 경우 이렇게 새로운 기능을 얻기 위해 원소를 추가하거나 조성을 바꾸게 되면 본래 물질이 가지고 있던 좋은 성질이 약해지거나 심지어 사라지는 문제가 있어 왔습니다.

그래서 저희가 추구하는 바는, 지향하는 바는 기존의 좋은 물성은 그대로 유지하면서 저희가 추가하고자 하는 새로운 기능을 더하는 어떤 보편적인 재료 설계 방법이 없을까, 그걸 한번 탐색해 보자, 라는 것이고요.

그리고 이러한 방법을 통해서 저희가 큰 관심을 갖고 추가, 새롭게 추가... 추가하고자 하는 물질의 성질은 바로 극성입니다. 여기서 극성에 대해서 간단하게 설명해 드리자면 극성은 간단하게 비대칭적인 원자 전하의 배열이라고 말씀드릴 수 있겠습니다.

먼저, 왼쪽 그림을 보시면 모든 물질들은 다양한 원자들로 구성돼 있고 그 각각의 원자들은 서로 다른 전기 전하를 가질 수 있습니다. 예를 들어서 양전하와 음전하를 가지는 원자들로 구성될 수 있는데, 왼쪽 그림을 보시면 양전하, 양전하를 가지는 원자들의 중심과 음전하를 가지는 원자들의 중심이 일치하기 때문에 소위 전기적인 치우침이 없습니다. 그래서 이 경우는 극성이 없는 물질, 비극성 물질이라고 할 수 있는데요.

하지만 이 물질이 오른쪽 그림과 같이 예를 들어서 양전하를 가지는 원자가 위로 올라가고 음전하를 가지는 원자가 상대적으로 아래로 내려가게 되면 양전하 중심과 음전하 중심이 서로 달라지게 되고 이를 통해서 전기적인 치우침이 발생하게 되고 이를, 이 물질이 극성을 가진다고 표현할 수 있습니다.

이게 현상적으로도 매우 흥미롭지만 이 극성은 굉장히 중요한데요. 왜냐하면 극성은 외부 자극과 전기적 반응을 연결하는 기반이 되기 때문입니다. 즉, 원자 전하의 배열에 어떤 방향성이 생기면 전기장, 빛, 온도, 힘 등과 같은 매우 다양한 외부 자극에 따라 극성 상태가 변하거나 반응하면서 다양한 기능성으로 이어질 수 있기 때문입니다.

예를 들어서 극성을 가지는 물질에 전기장을 걸어 주게 되면 극성의 세기가 바뀐다거나 극성의 방향이 바뀜으로 인해서 이 극성 소재를 메모리 소자 혹은 전기 에너지 저장 매체로 활용할 수 있습니다.

또한, 이 극성 소자에 열을 가해 주게 되면 온도 변화에 따라서 전기 신호가 발생할 수 있고 이를 이용해서 적외선 열센서라든가 에너지 하베스팅으로 활용할 수 있습니다.

또한, 이런 극성 소재에 기계적인 압력을 가해 주게 되면 역시 전기 신호가 발생할 수 있기 때문에 압력·진동 센서라든가 또한 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 매체로 활용할 수 있습니다.

마지막으로, 이 극성 소재는 또한 빛과 굉장히 강한 상호작용을 하기 때문에, 예를 들어서 이 빛의 주파수를 우리가 변환시킬 수 있는, 극성 소재를 이용해서 변환시킬 수 있는 가능성이 있기 때문에 차세대 광소자라든가 차세대 광기술로 중요한 물질이라고 받아들여지고 있습니다.

즉, 극성을 만들 수 있다는 것은 하나의 물질에 새로운 기능을 더할 수 있다는 의미이고, 더 나아가서 다양한 전자적 물성을 가지는 소재에 이 극성을 인공적으로 추가할 수 있다면 굉장히 흥미로운 다양한 기능성을 만들 수 있다는 의미입니다.

하지만 앞서 간단하게 설명해 드렸듯이 이 극성 또한 다른 물성과 인공적으로 공존시키는 것은 그렇게 쉬운 것이 아닙니다. 왜냐하면 서로 다른 물성은 각자 선호하는 구조가 다르기 때문입니다.

예를 들어서 극성은 비대칭적인 구조를 필요로 하지만 다양한 전자적 물성, 예를 들어서 금속성, 자성, 초전도성과 같은 전자적 물성은 각자의 필요로 하는 전자와 원자 배열이 있기 때문에 한 물질 안에서 이러한 극성 상태와 전자적 물성을 결합하는 것은 매우 어려운 과제로 여겨져 왔습니다.

하지만 그럼에도 불구하고 우리가 인공적인 원자층 배열을 통해서 이런 극성과 다양한 전자적 물성의 공존을 인공적으로 구현할 수 있다면 매우 흥미로운 다기능성 소재로 이어질 수 있기 때문에 이를 위한 연구를 진행하여 왔고, 이를 달성하기 위해서 저희가 처음 관심을 가진 물질은 다음과 같은 '페로브스카이트 산화물 ABO3'라고 하는 물질입니다.

먼저, 이 물질은 굉장히 중요한데요. 우리가 알고 있는 굉장히 다양한 물성들이라든가 기능성이 대부분의 물질에서 처음 발견되고 시작되어 왔고요. 그리고 굉장히 흥미롭게도 이 물질은 두 가지의 서로 다른 금속 원자로 구성되어 있습니다.

첫 번째 원자는 소위 A 자리에 위치해 있다고 해서 A 자리 금속 원자라고 할 수 있고요. 두 번째 금속 원자는 정육면체 중심에 위치한 B 자리 금속 원자라고 할 수 있고 이 B 자리 금속 원자는 산소로 둘러싸여 있습니다.

이렇게 서로 다른 2개의 금속 원자는 흥미롭게도 서로 다른 역할을 가지고 있는데요. 첫 번째, A 자리 금속 원자는 그 이온 크기에, 원자의 크기에 의해서 격자 크기를 결정하는, 그 물질의 크기를 결정하는 역할을 하고 있고요. B 자리에 위치한 금속 원자는 이 물질의 전자적 물성을 결정하는 역할을 하고 있습니다.

그래서 이러한 서로 다른 금속 원자의 역할을 바탕으로 저희가 생각한 아이디어는 그렇다면 이 B 자리 원소는 고정한 채로, 전자적 물성을 결정하는 B 자리 원자는 고정한 채로 A 자리 원자만 인공적으로 제어해서 극성을 유도할 수 있다면 원래 가지고 있던 전자적 물성은 유지하면서 극성, 강한 극성 상태만 이 물질에 더할 수 있지 않을까, 라고 생각을 하게 되었습니다.

다음과 같은 아이디어인데요. 말씀드렸다시피 보통 A 자리 원자를 건든다는 것은 A 자리 원자를 랜덤하게 섞는 경우를 말하는데 이런 경우를 더 나아가서 단순히 원자를 바꾸는 게 아니라 쌓는 순서를 바꿔보자, 라는 게 저희의 기본 아이디어였습니다.

예를 들어서 A 자리 원자에 A라는 원자와 A 프라임이라는 원자 2개를 섞는데 그 섞는 거를 쌓은 순서를 바꿔서 섞는다는 것인데요. 예를 들어서 맨 밑에 있는 A 자리 원자를 A 프라임으로 100% 다 쌓게 되고, 위로 올라가면서 점차 다른 A 원소를, A 원자를 섞게 되게 되면 결국 최종적으로 맨 위쪽의 원자층은 A 원자로만 100% 있는, 소위 A 원자의 그라데이션을 가진 것과 같은 원자층 배열을 만들 수 있게 되고, 저희는 이것을 소위 'A 자리 선택적 원자 기울기'라고 명칭하였습니다.

즉, 이렇게 B 자리는 고정하고 A 자리 원자의 조성 비율만 층마다 조절하면 기존에 가지고 있던 전자 물성은 유지한 채로 A 자리 원자 기울기에 의해서, 소위 변전성에 의해서 극성이 유도될 수 있다고 생각하였는데요.

간단하게 극성... 간단하게 변전성이 무엇인지 설명해 드리자면 이 왼쪽 그림에서 보시다시피 어떤 물질을 우리가 휘게 되면 위쪽 표면은 소위 늘어나는 변형을 겪게 되고 아래쪽은 압축되는 변형을 겪게 됩니다. 그래서 위아래 방향으로 변형에 기울기가 생기고, 이 말은 즉 위아래 방향의 대칭이 깨진다는 겁니다. 이러한 대칭의 깨짐으로 인해서 자연스럽게 이 물질 안에, 이 물질을 단순히 휘는 것만으로 이 물질의 극성을 유도할 수 있게 됩니다.

이 변전성 또한 저희 원자 기울기가 적용된 박막에 적용이 가능한데요. 예를 들어서 이 원자층, 그라데이션에 있는 원자 기울기가 있는 물질을 박막 형태로 만들게 되면 각각의 층의 크기가 밑에 있는 기판의 크기에 구속되어서 성장되게 되고, 그 결과 A와 A 프라임 원자 중에 작은 원자와 큰 원자가 있을 텐데 작은 원자로 구성된 아래쪽 층은 기판에 의해서 늘어나는 변형을 겪을 것이고, 큰 원자로 구성된 위쪽 원자층은 기판에 의해서 줄어드는 변형을 겪을 것입니다. 그 결과로 위아래 방향으로 변형 기울기가 발생할 수 있고 변전성에 따라서 굉장히 큰 극성이 유도될 수 있다, 라는 것이 저희의 기대였습니다.

그래서 이를 구현하기 위해서 실제로 앞서 말씀드린 원자층 배열 실험 기법을 통해서 원자층, A 자리 원자층을 굉장히 세밀하게, 완벽하게 제어하였고요. 이 원자 기울기가 실제로 구현됐는지 확인하기 위해서 소위 투과전자현미경을 통해서 원자들의 배치를 다 확인하고 원자들의 종류와 비율을 다 확인하였습니다.

그래서 보시다시피 굉장히 예쁜 그라데이션처럼 원자가, A 자리 원자가 A부터 A 프라임까지 바뀌는 것을 확인할 수 있었고 더 나아가서 이 원자 기울기의 방향을 아래쪽의 A 프라임에서 위쪽의 A까지 그라데이션의 방향이 바뀌는 것 또한 만들 수 있었고 이거의 소위 컨트롤 샘플로서 이 원자 기울기가 없이 두 가지의 원자가 랜덤하게 섞인, 소위 고용체 박막 또한 만들었을 때 이 경우는 원자 기울기가 전혀 없는 것 또한 확인할 수 있었습니다.

그래서 저희가 예상한 대로, 저희가 기대한 대로 원자 기울기를 구현할 수 있었고요. 그리고 저희의 기저에 따르면 이 원자 기울기가 굉장히 큰 극성 상태를 유도할 수 있을 것이기 때문에 저희가 굉장히 다양한 방법으로 저희 박막 안에 극성 상태를 검증하였고 가장 대표적인 방법으로 마찬가지로 투과전자현미경 분석을 통해서 원자들의 모든 위치를 측정하였고요. 그 원자들의 모든 위치를 측정한 결과를 통해서 각 원자 단위의 극성값을, 극성 크기를 측정하였습니다.

그래서 보시다시피 원자 기울기가 있는 박막은 굉장히 큰 극성 상태, 즉 전하, 원자 전하의 배열 비대칭이 있어서 화살표로 표현, 화살표로 표현했다시피 극성 상태에 굉장히 크게 유도되는 거를 볼 수 있었고 원자 기울기 방향에 따라서 극성의 방향이 바뀌는 것까지 제어할 수 있었고요. 반면, 원자 기울기가 없는 고용체 박막에서는 예상한 대로 극성이 없는 것 또한 확인하였습니다.

그래서 이렇게 원자 기울기를 기대한 대로 설계하고 구현하였고요. 실험적으로 관측을 하였고 원자 기울기에 의해서 굉장히 큰 극성 상태가 이 물질 안에, 원래는 극성이 아니었던 이 물질에 유도되었음을 확인하였습니다.

그래서, 그러면 이렇게 새롭게 유도된 극성이 어떠한 신기한 물성을 발현시키고 혹은 기존의 어떤 기능성을 굉장히 향상시킬 수 있는지 검증하기 위해서 총 세 가지의 물성이나 기능성을 확인하였는데요.

첫 번째는 바로 금속성에 대한 것입니다.

그래서 이 원자 기울기를 원래 금속성을 가지는 소위 이리듐산화물이라는 물질에 적용하여서 A 자리 원자를 칼슘에서 스트론튬까지 그라데이션, 원자 기울기를 가했습니다. 그 결과 이 물질이 원래 가지고 있던 금속성은 잘 유지하는 동시에 굉장히 흥미롭게도 이 원자 기울기를 가한 물질에서 전기 전류의 방향에 따라서, 예를 들어 전기 전류가 오른쪽으로 흐르느냐, 왼쪽으로 흐르느냐에 따라서 전기저항의 값이 달라지는, 그리고 그 전기저항의 차이가 원자 기울기의 방향을 바꿔줬을 때 마찬가지로 반전되는 것을 확인할 수 있었습니다.

이 현상은 흡사 우리가 반도체를 활용해서 다이오드를 만들었을 때 나오는 전류 정류 현상과 굉장히 비슷한데요. 그와의 차이는 이 경우는 금속성에서 이 현상을 구현했기 때문에 굉장히 에너지 손실이 적은 차세대 회로 응용에 있어서 굉장히 중요한 역할을 할 것이라고 기대하고 있습니다.

그럼 왜 이러한 흥미로운 현상이 나왔는지 저희가 생각해 봤을 때 간단하게 말씀드리면 이 극성 구조로 인해서 전자의 에너지 분산이 오른쪽 그림과 같이 비대칭적으로 변형돼서 전자가 오른쪽으로 이동하면서 전기를 흐르는 경우와 전자가 왼쪽으로 이동하면서 전기가, 전기를... 전류를 흘려주는 경우가 서로 달라지게 되는 상황, 즉, 전기 저항이 달라지는 상황이 만들어졌다고 해석하고 있습니다.

두 번째 경우에는 앞서 첫 번째 경우에서 말씀드린 경우, 금속성 물질에 원자 기울기를 적용한 경우와 다르게 완전히 다른 분류의 물질, 즉 절연체 물질에 원자 기울기를 적용했는데요.

이 금속성 물질과 절연체 물질은 서로 지향하는 바가 다릅니다. 금속성 물질은 전기를 잘 흘려 줘야 되고 전기를 잘 통해 줘야 되고요. 절연체 물질은 전기를 잘 흘려 주어서는 안 됩니다. 그렇기 때문에 절연체 물질은 보통 어떤 쪽으로 응용이 되냐면 전기를 유도시키고 그 전기를 잘 저장하는 쪽으로 응용이 많이 되고 있는데요. 그걸 소위 우리가 전기 용량, 커패시턴스라고 부릅니다.

그리고 그런 전기의 용량은 보통 물질의 두께에 반비례하기 때문에 그런 응용을 위해서는 많은 경우 절연체의 두께를 줄여 주는 방향으로 연구와 응용이 진행되고 있는데요. 다만, 아쉽게도 절연체 물질로 시작한다 할지라도 물질의 두께가 얇아지게 되면 굉장히 얇은 두께로, 소위 누설 전류가 발생하는, 있어서는 안 되는 전도성이 발생하는 심각한 문제가 발생합니다.

그래서 저희의 기대는 원자 기울기를 이용한 초박막 절연체에서는 굉장히 얇은 박막에서도 이런 누설 전류가 억제된 채로 굉장히 큰 유전 상수, 커패시턴스는 유지할 수 있지 않을까, 기대하였고요.

이 오른쪽 그림과, 오른쪽 그림에서 보실 수 있다시피 저희가 기대한 대로 굉장히 얇은 박막임에도 불구하고 다른 대비되는 박막 대비 누설 전류값이 1,000~1만 배 정도 억제되는, 굉장히 두꺼운 절연체와 비슷한 누설 전류값을 확인할 수 있었고요.

이를 통해서 이 물질은 차세대 반도체 소자용 초박막 절연막이나 혹은 전기 에너지 저장 매체로 크게 활용할 수 있을 것이라고 생각하고 있습니다.

그럼 왜 이렇게 누설 전류가 이렇게 얇은 박막에서 억제될 수 있었는지 간단하게 생각해 보면 저희는 원자 기울기를 통해서 극성 상태를 유도하였는데요. 그리고 그렇게 유도된 극성 상태가 이 오른쪽 그림과, 그림에서 보실 수 있다시피 굉장히 특이한 상황입니다.

그래서 이렇게 특이한 극성 상태에서는 이 물질 내부에 고정된 음전하를 가지는 위치가 포함될 수 있고요. 이렇게 내부에 고정된 음전하에 의해서 이 절연체 물질에서는 있으면 안 되는 이동성을 가지는 음전하를 가지는 입자, 즉 전자들을 이 물질에서, 물질에서 생성되는 것을 억제하게 되고 결과적으로 이 물질의 절연성이 굉장히 향상되었다고 해석하고 있습니다.

그리고 마지막으로, 마지막으로 다음 부분은 같은 물질에 대해서 온도 반응에 대해서 살펴보았습니다.

역시 절연성을 가지는 이 물질에서 온도에 따른 그리고 열적 반응에 따른 소위 큰 전기 신호가 어떻게 나오는지 살펴보았는데요.

극성을 가지는 물질은 온도 변화에 따라서 혹은 열적인 변화에 따라서 전기·전류를 발생시킬 수 있고 그 결과 그것을 우리가 온도, 열감지센서 혹은 에너지 하베스팅 등으로 활용할 수 있는데, 저희가 원자 기울기를 가한 이 물질에서는 비슷한 두께와 비슷한 화학 조성을 가지는 물질 대비 그 값이 100배 이상 커지는 것을 확인할 수 있었습니다. 즉, 매우 큰 초전 계수를 가지고 있기 때문에 차세대, 굉장히 효율적이고 굉장히 큰 성능을 가지는 센서라든가 에너지 하베스팅 등으로 활용할 수 있을 것이라고 기대하고 있습니다.

그래서 오늘 설명드렸다시피 저희가 새롭게 도입한 A 자리 선택적 원자 기울기라는 방법을 서로 다른 금속성 물질과 그리고 절연체 물질에 적용하여서 다음과 같은 서로 다른 3개의 물성이라든가 기능성을 연구하는 저희 연구 성과에 대해서 말씀드렸는데, 저희 연구 성과는 단순하게 새로운 물성을 보았고 기능성을 확보하였다가 아니라 물성을, 물성 측면에서 보면 금속성에서의 전기·전류의 방향성이 원자... 인공적으로 그 방향성이 제어될 수 있고 크기가 제어될 수 있고 방향이 제어될 수 있다는 거를 보인 세계 최초의 물성 제어라고 말씀드릴 수 있고, 절연체에서 보여드린 절연성 성능과 그리고 온도반응 전기신호 성능 측면에서 다른 비슷한 다른 소재들과 비교해 봤을 때 그 성능이 세계 최고 성능, 세계 최고 기능성 소재를 확보했다고 강조드릴 수 있겠습니다.

그래서 마지막으로 저희 연구의 중요성과 의의를 말씀드리자면 저희는 단순히 결과를 넘어서 재료 설계의 기준을 바꿨다고 말씀드릴 수 있겠는데요. 그동안은 어떤 새로운 기능성, 물성을 제어하기 위해서는 다른 추가적인 원소를 단순히 넣어주고 섞는 거에 남아 있었다면 저희는 그걸 더 넘어서 원자층, 원자의 배열 순서까지 새로운 설계 변수로 활용할 수 있다고 제안하였고, 그걸 실제로 실험적으로 구현하고 더 나아가서 굉장히 좋은 물성과 굉장히 향상된 기능성까지 검증하였습니다.

즉 배열도, 원자층 배열도, 재료 설계 핵심 변수임을 실험적·이론적으로 제시한 연구라고 말씀드릴 수 있고, 또한 저희가 제안한 이 방법은 단순히 저희가 연구에 사용한 이 물질뿐만 아니라 대부분 다양한 물질군에 공통적으로 적용 가능하기 때문에 금속, 자성체, 초전도체 등과 같은 차세대 소재, 다기능 소재 설계로 확장될 수 있다는 보편적 설계 원리를 제시했다고 말씀드릴 수 있겠습니다.

그럼 이상 발표를 마치겠습니다. 감사합니다.


(24:58)
[질문·답변]
※마이크 미사용으로 확인되지 않는 내용은 별표(***)로 표기하였으니 양해 바랍니다.

<질문> (온라인 질의 대독) 먼저, 온라인을 통해 들어온 질의가 하나 있는데요. 머니투데이 기자입니다. 재료의 전기적 방향을 조절하는 원리를 밝혀내는 것이 왜 중요한지, 차세대 반도체 등에 어떻게 쓰일 수 있는지, 선택적 원자 기울기라는 설계 전략을 최초로 구상했다고 보면 되는지 궁금합니다.

<답변> (이대수 포항공대 물리학과 교수) 전기 흐름의 방향을 바꿨다는 것은 앞서 말씀드렸다시피 다이오드 성능과 비슷한 거고요. 전기의 방향을, 이를테면 오른쪽 흐를 때와 왼쪽으로 갈 때 오른쪽으로 흐르는 것만 허용하는 거라고 말씀드릴 수 있고, 이 다이오드 특성은 회로, 회로에서 논리회로를 구성하는 데 굉장히 핵심적인 기능입니다.

그런데 기존의 다이오드 같은 경우는 반도체를 활용하게 되고, 반도체는 금속성 물질과 다르게 전기 저항이 큰 물질입니다. 그래서 어쩔 수 없이 전기 저항이 큰 물질에 전류를 흘려주게 되면 열 손실이 크게 발생하게 되는데 저희 같은 경우는 비슷한 다이오드 특성을 전기 저항이 굉장히 작은 금속성 물질에서 구현하였기 때문에 비슷한 다이오드, 논리소자에 필수적인 다이오드 특성을 전기 저항과 열 손실, 에너지 손실이 굉장히 작은 금속성 물질에서 구현하였고 차세대, 정말 에너지를, 에너지 효율을 늘리는 게 점차 중요하게 여겨지고 있는데 에너지 효율이 굉장히 큰 논리소자를 확보하는 데, 미래 소자에 도움이 될 거라고 생각하고 있고요.

두 번째 질문은 원자 기울기를...

<질문> (온라인 질의 대독) 설계 전략을 최초로 구상했다고 보면 되는 건지요?

<답변> (이대수 포항공대 물리학과 교수) 그동안은 많은 경우 단순하게 조성 변화를 주는 경우는 있었습니다. 근데 단순하게 조성 변화만 준 경우에는 이러한 극성 상태를, 극성 상태가 유도된다거나 유도된다고 검증한 연구 사례가 없었고요. 저희는 제가 거의 한 15년 동안 연구한 변전성에 이 원자 기울기, 조성 변화를 적용한 경우, 소위 선택적 원자 기울기의 경우 강한 극성이 유도된다는 거를 세계 최초로 설계하고 보고했다고 말씀드릴 수 있겠습니다.

<질문> (온라인 질의 대독) 다음으로, 동아사이언스 기자이십니다. 결국 소재는 우리 곁에 오려면 양산 기술과 수율이 중요한 것 같습니다. 원자층 배열을 그라데이션으로 정밀 조작하는 방식으로 제조하는 것 같은데 향후 대량 생산까지 확장할 때 존재하는 허들은 무엇이고 어떻게 극복할 수 있을까요? 그리고 구체적인 적용 가능 분야를 조금 좁혀서 제시해 주셔도 좋을 것 같습니다.

<답변> (이대수 포항공대 물리학과 교수) 굉장히 중요한 질문인데요. 저희가 일단 이거를 실험실 수준에서 이 아이디어를 검증하기 위해서는 대면적 성장과 관련이 없는 다른 증착 방법으로 이 방법을, 이 가설을 증명했지만 이제 가설이 증명되었고 노하우가 쌓였기 때문에 그리고 이 방법이 말씀드린 대로 대면적 박막을 합성할 수 있는 방법에 적용 안 되는 방법이 아니기 때문에 이 확보된 노하우를 가지고 이거를 다른 방법론에 적용하는 거는 또 굉장히 쉬운 편이거든요, 상대적으로. 그렇기 때문에 이거를 실제 필요하다면 소자화 혹은 대면적 박막화하는 데는 큰 어려움이 없을 거라고 생각하고 있습니다.

<질문> (온라인 질의 대독) 알겠습니다. 다음으로는 매일경제 기자이십니다. 설명해 주신 합성... 합성법이 원자층 1층을 쌓는 방법인데요. 어떻게 격자 모양의 원자층 조성을 바꿀 수 있는지 원리가 궁금합니다. 우선 이 질문부터 답변해 주십시오.

<답변> (이대수 포항공대 물리학과 교수) 그러니까 지금 저희가 물질을 쌓을 때 A 자리에, A 자리에 있는, A 자리에 두 가지 원소를 섞을 때 그 배열을... 조성의 비율이 바뀌는, 바뀌도록 그라데이션을 주면서 한 층, 한 층 쌓는다는 개념이고요. 그래서 원자층 한 층을 쌓을 때 A 원자와 A 프라임 원자가 들어오는, 소위 플럭스라고 해야 되나요? 유입량을 저희가 증착하는 과정에서 조절해 주면 됩니다. 그리고 그 조절하는 방법은 보통 저희가 박막 하는, 박막을 합성하는 모든 실험 기법에서 충분히 할 수 있는 방법입니다.

<질문> (온라인 질의 대독) 한 가지 더 질문이 있습니다. 원자층 배열을 바꾸면 물성이 달라진다는 건 사뭇 당연해 보이기도 합니다. 학계에서 예상하지 못했던 결과인가요? 이번 연구가 어떤 학문적 난관을 해결한 것인지 궁금합니다.

<답변> (이대수 포항공대 물리학과 교수) 원자층의 배열이 바뀌면 뭔가 바뀔 거라고 예상할 수 있지만 그게, 그것이 굉장히 큰, 정말 흥미로운 물성이나 기능성 측면에서 중요한 극성 상태, 단순히 위아래가 뭔가 다르다는 게 아니라 실제 원자 전하 배열이 비대칭적으로 원자들이 자기 이동하면서 극성 상태를 유도하였다, 그것과는 완전히 다른 개념인데요. 원자층 배열을 원자 기울기를 줌으로써 그게 가능하다, 라는 거를 처음으로 검증한, 실험적·이론적으로 검증한 연구라고 말씀드릴 수 있고요.

그리고 더 나아가서 이게 단순히 원자층 배열을 바꿨을 때 중요한 거는 앞서 말씀드린 대로 뭔가 새로운 물성을 더해줬을 때 기존에는 기존에 있었던 좋은 물성들이 약해지거나 사라지는 게 문제였는데 저희 연구의 또 굉장히 좋은 점 한 가지는 기존의 물성, 좋은 점은 그대로 유지하면서 극성 상태만 유도할 수 있었다는 것입니다. 그런 측면에서 과학계에서 좋게 받아들여 주신 것 같습니다.

<질문> (온라인 질의 대독) 비슷한 질문을 연합뉴스 기자도 하셨습니다. 그런데 거기에 좀 추가적으로요. '페로브스카이트를 활용하셨는데 다른 물질에도 이런 개념을 적용하는 게 가능하실까요?'라는 질문 있습니다.

<답변> (이대수 포항공대 물리학과 교수) 굉장히 중요한 질문인데요. 먼저, 답을 드리자면 충분히 가능합니다. 페로브스카이트에서 두 가지 금속 원자로 구성되어 있다고 말씀드렸고, 그리고 한 가지 원자는 이 물질의 크기를 결정하고 다른 원자는 이 물질의 전자적 물성을 결정한다고 말씀드렸는데 이 두 가지의 다른 역할은 페로브스카이트 산화물뿐만 아니라 대부분 우리가 활용하고자 하는 그리고 활용하고 있는 물질들 대부분에 적용되는 경우입니다.

그래서 다른 물질군을 활용한다 할지라도 전자적 물질을, 전자적 물성을 결정하는 금속 원자는 고정한 채로 다른 원자의 원자층 배열만 그라데이션을 줘서 원자 기울기를 준다면 전자적 물성은 유지하면서 다른 물질에 다양하게 극성 상태를 유도할 수 있을 거라고 생각합니다.

<질문> (온라인 질의 대독) 그리고 한 가지 더, 다른, 동아사이언스 기자 추가 질문이신데요. '아까 반도체와 비교하셨는데 정말로 반도체 기반 다이오드처럼... 만큼 한쪽으로는 아예 전류가 흐르지 않게 할 수도 있을 가능성도 있을까요?'라는 질문입니다. 먼저 이것부터 부탁드립니다.

<답변> 그래서 다이오드 성능 측면에서 중요한 게 전류가 잘 흐르는 경우와 전류가 안 흐르는 경우 전류의 비율이거든요. 그것이 다이오드 특성을 결정하는데 비슷한 성능을 우리가 금속성 물질로 구현할 수 있을 거라고 생각하고 아무래도 그거를 극대화하는 방법이 하나가 있습니다.

이를테면 우리가 금속성 물질에 원자 기울기를 적용해서 이러한 특성을 구현하였는데 더 나아가서 초전도체 물질에 똑같이 원자 기울기를 가해주게 되면 어떤 현상이 발생하냐면 어떤 한쪽, 오른쪽 방향에서는 초전도성이 되고 반대쪽 방향에서는 보통 금속 상태가 되기 때문에 전기 전류의 전기저항 온/오프 레이시오가 반도체보다 더 커질 수 있는, 훨씬 커질 수 있는 가능성이 있습니다.

<질문> (온라인 질의 대독) 그리고 이 기자님 추가 질문이시고요. 마지막으로 이 질문을 답변해 주시면 좋을 것 같습니다. 연구에서 가장 어려우셨던 부분이 무엇이고 어떻게 극복하셨는지, 그리고 각 연구자별 역할 배분도 궁금합니다.

<답변> (이대수 포항공대 물리학과 교수) 저희가 이 연구가 총 한 6년 정도 걸렸는데 사실 물질을 합성하고, 물질을 합성하는 단계부터 굉장히 어려웠고요. 이제 저희가 지금은 노하우가 쌓인 상황이기 때문에 이 원자 기울기 박막은 굉장히 쉽게 만들고 있는데요. 초기의 상태에서는 일단 이 원자 기울기 박막이 만들어질 수 있을까, 라는 회의감에서부터 시작했기 때문에 만드는 과정에서, 합성하는 과정에서 그리고 이 물질을 만드는 노하우를 확보하는 과정에서 굉장히 어려움이 있었고요.

이 원자 기울기를 활용해서 새로운 물성을, 굉장히 향상된 물성, 기능성을 확보하는, 보여드린 결과들이 있는데 그것 또한 저희가 연구실에서 새롭게 시도하는 측정들이기 때문에 그 새롭게 측정된 결과를 확보하고 해석하는 과정, 이를테면 어떤 기능성들이 다른 물질 대비 100배, 1,000배 커졌다고 말씀드렸는데 그 결과를 처음부터 바로 믿을 수는 없기 때문에, 너무 좋은 결과이기 때문에 그거를 검증하는 과정이 거의 1년 이상이 걸렸고요. 그래서 합성부터 실험, 설계 그리고 측정까지 굉장히 많은 부분에서 어려움이 있었다고 말씀드릴 수 있고요.

실험적으로는 저희 연구실에서는 합성을 담당하고 그리고 다른, 다양한 기능성들을 검증하는 연구를 진행하였고요. 저희 포항공과대학교 물리학과 이길호 교수 연구팀에서 앞서 말씀드린 전기 흐름의 방향에 따라서 방향성이 생기는, 그와 관련된 측정을 진행해 주셨고, 저희가 이번 발표에서 굉장히 아름다운 원자 이미지를 보여드렸는데 그 원자 이미지는 저희 같은 포항공과대학교 신소재공학과의 최시영 교수 연구팀에서 진행을 해주셨고요.

그리고 이게 저희가 실험적으로 구현을 했지만 또 이게 실험적으로 구현된 것을 예측하고 또 검증하기 위해서는 이론적인 백그라운드도 굉장히 필요한데요. 이론적 계산을 숭실대학교 박세영 교수님 연구팀에서 진행해 주셨습니다.

<답변> (사회자) 감사합니다. 더 이상 질문이 없으신 것 같습니다. 그래서 이상으로 브리핑을 마치겠습니다. 오늘 브리핑의 보도 시점은 10월 2일 금요일 새벽 3시입니다. 국제 엠바고인 만큼 보도 시점까지 가판과 PDF, 온라인 등에 노출되지 않도록 유의해 주시기 바랍니다. 감사합니다.

<답변> (이대수 포항공대 물리학과 교수) 감사합니다.

<끝>

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