기초과학연구원(IBS) 강상관계 물질 연구단(단장 노태원)은 물질이 휘어졌을 때 전기장이 발생하는 '변전효과'를 이용해 강유전체의 수평 방향 분극을 제어하는 데 성공했다고 21일 밝혔다.
우리가 매일 사용하는 스마트폰 내부엔 다양한 소자들이 들어있다. 이 중 많은 소자들은 '압전효과'로 전기장을 유도한다. 압전체로 분류되는 물질들에 한 쪽 방향으로 균일한 힘을 가하면 전하들의 분포가 바뀌며 전기장이 유도되는 원리다. 하지만 현재 산업 전반에 활용되고 있는 압전체 물질들은 납 등의 유해한 물질이 포함돼 앞으로 대체 물질을 찾거나 개발해야 하는 숙제를 안고 잇다.
압전효과와 달리 변전효과는 그동안 크게 주목받지 못했다. 균일하지 않은 힘이 가해져 물질이 휘어졌을 때 물질 내부에 전기적 분극이 발생하는 변전효과가 고체에서 너무 작게 나타났기 때문이다. 딱딱한 고체에 힘을 가하면 휘어지기보단 부서지는 바람에 연구가 유연한 물질에 국한돼 왔다.
2011년 노태원 단장 연구진은 물질이 나노미터 크기로 작아질 경우 매우 큰 변전효과가 발생할 수 있다는 사실을 발견했다. 노 단장과 박성민 연구원, 양상모 숙명여자대학교 교수는 이 점에 착안해 강유전체인 비스무스산화철을 실험에 적용했다. 비스무스산화철은 8가지 방향의 전기적 분극을 가지면서 동시에 자기적 성질과 탄성도를 모두 지녀 최근 차세대 메모리 신소재로 관심 받고 있다.
연구진은 비스무스산화철을 나노박막 형태로 증착한 뒤 주사탐침현미경의 탐침으로 힘을 가해 박막 내부의 분극 변화를 관찰했다. 그 결과 아주 얇고 뾰족한 탐침으로 나노박막을 누르며 움직이면 탐침의 이동방향에 따라 비스무스산화철 내부의 분극 방향을 선택적으로 제어할 수 있다는 사실을 발견했다.
연구진은 이 현상을 '후행 변전장'이라는 새로운 개념으로 정립하고 미국 펜실베니아 주립대학교의 첸 교수와 함께 실험 결과를 이론적으로 입증했다. 이번 연구는 세계 최초로 변전효과를 이용해 강유전체의 수평 방향 분극을 선택적으로 제어하면서 위·아래 한쪽방향으로만 제어가 가능했던 기존 연구의 한계를 극복한 것으로 평가된다. 특히 후행 변전장을 이용한 수평 방향 분극의 선택적 제어는 변전효과의 활용과 연구 폭을 크게 확대할 것으로 기대된다.
양상모 숙명여대 교수는 "고체 중 압전효과를 가지는 물질 그룹은 20개인데 반해 변전효과는 32개 그룹 전체에 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.
이번 연구결과는 나노 기술 분야 국제학술지 '네이처 나노테크놀로지' 온라인판에 게재됐다.
남도영기자 namdo0@dt.co.kr
기초과학연구원(IBS) 강상관계 물질 연구단 노태원 단장(오른쪽부터)과 박성민 연구원, 양상모 숙명여대 교수가 변전효과를 이용해 강유전체의 수평 방향 분극을 제어하는 실험을 하고 있다.(IBS 제공)
