류정호 영남대학교 신소재공학부 교수 연구팀이 차세대 반도체와 양자 컴퓨터 개발에 필요한 새로운 다기능 나노 소재 개발에 성공했다. 이번에 개발한 소재는 전기와 자성을 서로 바꾸며 조절할 수 있는 소재로 기존 다강체(전기를 가하면 자성이 바뀌고 자석을 가까이하면 전기 성질이 변하는 특별한 물질)의 한계를 뛰어넘은 성과로 주목받고 있다.
류정호 교수 연구팀은 대표적인 다강체 소재인 BiFeO₃의 박막 안에 Ba(CuNb)O₃라는 물질을 나노미터(10억분의 1m) 크기로 정교하게 배치해 소재 내부에 미세한 구조 변화를 일으켜 `플렉소일렉트릭 효과(flexoelectric effect)`라는 현상을 유도했고 전기와 자기의 특성을 동시에 강화하는 데 성공했다.
기존 다강체 소재는 화학 조성에 따라 특성이 결정되는 구조적 한계가 있었지만 이번 연구에서는 복잡한 화학 조성 변화 없이 `나노 구조 제어`만으로 뛰어난 다기능 특성을 구현함으로써 기존 이론의 한계를 넘어선 세계 최초의 성과를 달성했다. 이러한 특성 때문에 차세대 메모리 반도체나 양자 컴퓨터와 같은 미래 기술에 핵심적으로 활용될 소재로 주목받고 있다.
특히 상온에서도 강한 전기-자기 결합 특성을 확인함에 따라 저전력 고속 구동이 가능한 차세대 메모리 소자, 고감도 센서, 양자 소자 등에 폭넓은 산업적 활용이 기대된다.
이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐으며 류정호 교수 연구실을 중심으로 최시영 포항공대 교수, 정대용 인하대 교수 연구팀이 참여한 공동연구 결과다.
서울대, KAIST, 미국 위스콘신대, 일본 오사카대, 인도 CSIR 국립물리연구소 등 국내외 연구기관도 협력해 국제 공동연구 형태로 진행됐다.
연구 성과는 신소재 분야의 세계적 권위 학술지인 `Advanced Functional Materials (영향력지수 18.5, 재료과학 분야 상위 4.1%)`의 올해 2월 26일 자에 게재됐다.
논문 제목은 `Localized Flexoelectric Effect Around Ba(CuNb) Nano-Clusters in Epitaxial BiFeO₃ Films for Enhancement of Electric and Multiferroic Properties`이며 제1저자는 송현석 영남대 박사과정생과 황수윤 포항공대 박사, 교신저자는 류정호 영남대 교수, 최시영 포항공대 교수, 정대용 인하대 교수가 맡았다.
류정호 교수는 "나노 구조 제어를 통한 새로운 물성 부여는 기존 반도체 기술을 뛰어넘는 차세대 전자·양자 소자 개발에 핵심적인 역할을 할 것"이라며 "이번 연구는 양자 기술을 포함한 미래 산업의 핵심 재료 설계에 새로운 방향성을 제시했다"고 강조했다.
장종찬 기자jongchan2114@naver.com
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