광주과학기술원(GIST)은 신소재공학부 조지영 교수팀이 외부에 가해지는 전기장 및 물리적 힘에 따라 원자가 물질 내에서 얼마나 움직이는지 실시간 관측하고, 이를 통해 강유전(ferroelectricity) 박막 내 발생하는 분극 현상을 원자 수준에서 이해하는데 성공했다고 25일 밝혔다.

강유전 및 압전과 같은 전기 역학 소자 물성은 소재를 구성하는 원자들의 위치에 따라 크게 좌우된다. 고직접 전기 소자에 응용 가능한 박막 소자의 실제 구동 조건에서 원자 이동에 따른 위치 파악 및 물성 변화에 관한 연구가 매우 중요하다. 강유전은 전기장을 걸지 않아도 자연 상태에서 양이온과 음이온으로 분리돼 주변에 전기장이 형성된 상태를 말한다.

하지만 소재 구성 원자들의 움직임을 실시간으로 관측하는 것은 매우 제한적이다. 실제로 대부분의 소재 내 변화하는 원자 위치에 관한 연구는 여러 외부 변수가 포함되는 'ex situ'(결과를 추론하기 위해 다른 곳으로 옮겨서 추출한 상태, 실험 조건을 바꾸는 방식) 실험에 국한돼 왔다. 이에 따라 전기장 인가와 같은 소자 구동 조건에서 원자 위치 변화를 검출할 수 있는 실험법의 설계에 대한 필요성이 제기돼왔다.

이번 연구는 전기장에 따른 강유전체 박막 내 원자의 움직임을 실시간으로 측정 및 원자 위치에 따른 강유전성 원리 규명을 목적으로 수행됐다.

연구진이 개발한 초고속 X선 구조분석(시간분해 미세 X선 회절)을 통해 누설 전류 없이 매우 짧은(10μs) 전기장을 가하는 동안 원자 움직임 관측이 가능했다. 또 BiFeO3(비스무스철산화물, 스스로 전극과 자석의 성질을 띠는 물질) 같은 강유전체 박막 내 산소 원자들은 철원자보다 1.4배 더 많이 움직이는 것을 실험으로 확인했는데, 이 같은 결과는 부산대학교 이재광 교수 연구팀의 제1원리 계산값과 일치한다.

이에 따라 연구팀은 BiFeO3 박막의 강유전성은 산소원자와 철원자 사이의 거리로부터 기인한다는 것을 밝혀냈다.

조 교수는 이 같은 연구결과에 대해 "시간 분해 X선을 활용해 외부 자극에 따른 소재를 구성하는 원자의 움직임을 측정 가능함을 확인했다"며 "차후 시간분해능 향상을 실현하면 원자가 움직이는 속도까지 측정 가능할 것"이라고 말했다. 조 교수는 이어 "방법론의 관점에서 연구팀의 접근법은 자기 변형 및 빛 변형을 포함한 다양한 자극 하에서 원자를 동시에 구동하고 관찰하기 위한 새로운 과학을 열 수 있을 것으로 기대된다"고 덧붙였다.

이번 연구는 한국연구재단의 신진연구자 지원사업, 미래소재디스커버리사업, 이공학개인기초연구지원사업과 리서치 펠로우 사업 및 광주과학기술원의 창조적 도전과제 사업, 포스코 청암재단, 방사광가속기 이용자 지원과제의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 성과는 나노과학 분야 세계적 학술지 '나노리서치(Nano Research)' 지난해 12월 28일자 온라인판에 실렸다.

송강섭 기자 successnews@successnews.co.kr

Copyright ⓒ 썩세스경제