기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 강상관계 물질 연구단(단장 노태원)이 국내 연구진과 함께 물질이 휘어졌을 때 전기장이 발생하는 변전효과¹⁾를 이용해 강유전체²⁾의 수평 방향 분극을 제어하는데 성공했다. 외부에 전기장을 가해주지 않아도 변전효과를 통해 전기분극을 자유자재로 조절할 수 있는 새로운 방법을 발견한 것이다.

우리가 매일 사용하는 스마트폰 내부엔 다양한 소자들이 들어 있다. 이 중 많은 소자들은 압전효과³⁾로 전기장을 유도한다. 압전체로 분류되는 물질들에 한 쪽 방향으로 균일한 힘을 가하면 전하들의 분포가 바뀌며 전기장이 유도되는 원리다. 그러나 현재 산업 전반에 활용되고 있는 레드-지르코늄-타이타네이트(PbZr_xTi₁-_xO₃)와 같은 압전체 물질들은 납 등의 유해한 물질이 있어 앞으로 대체 물질을 찾거나 개발해야 하는 숙제를 안고 있다.

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 연구는 유연한 물질에 국한되어 왔다. 그러던 중 2011년 노태원 단장 연구진이 물질이 나노미터 크기로 작아질 경우, 매우 큰 변전효과가 발생할 수 있다는 사실을 발견한 뒤 이에 관한 연구가 지속적으로 이뤄져 왔다.

노태원 단장과 박성민 연구원, 숙명여자대학교 양상모 교수는 나노미터 단위에서는 변전효과가 압전효과보다 더 커질 수 있다는 점에 착안해 강유전체인 비스무스산화철(BiFeO₃)을 실험에 적용했다. 비스무스산화철은 8가지 방향의 전기적 분극을 가지면서 동시에 자기적 성질과 탄성도를 모두 지녀 최근 차세대 메모리 소자의 신소재로 관심 받고 있다.

공동 연구진은 먼저 비스무스산화철을 나노박막 형태로 증착한 뒤, 주사탐침현미경(Scanning Probe Microscope, SPM)의 탐침(Tip)으로 나노박막에 힘을 가하며 박막 내부의 분극 변화를 관찰했다. 그 결과, 아주 얇고 뾰족한 탐침으로 나노박막을 누르며 움직이면 탐침의 이동방향에 따라 비스무스산화철 내부의 분극 방향(180°, 71°)을 선택적으로 제어할 수 있다는 흥미로운 사실을 발견했다.

연구진은 탐침이 지나가는 방향에 따라 강유전체 내부 분극 방향이 전환되는 현상을 ‘후행 변전장(Trailing Flexoeletric Field)’이라는 새로운 개념으로 정립했다. 이후 위상장 시뮬레이션 기법(Phase Field Simulation)⁴⁾으로 저명한 미국 펜실베니아 주립대학교의 첸(L. Q. Chen) 교수와 함께 실험 결과를 이론적으로 입증하는데 성공했다.

이번 연구는 세계 최초로 변전효과를 이용해 강유전체의 수평 방향 분극을 선택적으로 제어하면서 위-아래 한쪽방향으로만 제어가 가능했던 기존 연구의 한계를 극복했다. 특히, 후행 변전장을 이용한 수평 방향 분극의 선택적 제어는 복잡한 분극 배열에서 나타나는 재미있는 물리현상을 구현할 수 있는 구현하는 실험적 도구로 활용될 뿐만 아니라 물질 내부의 전하 운반체들의 분포를 변화시켜 다양한 물성을 관찰하는 등 변전효과의 활용 및 연구 폭을 크게 확대할 것으로 기대된다.

공동 교신저자인 숙명여대 양상모 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 분야의 세계 최고 학술지 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology, IF 38.986) 온라인판에 영국시간으로 지난 3월 12일에 게재됐다.

그림설명

▲ [그림 1] SPM 탐침의 압력을 이용한 비스무스철산화물의 분극 제어그림 (a)는 나노박막으로 제작된 비스무스산화철 위로 지나간 SPM 탐침의 경로를 보여준다. SPM은 탐침 형태로 시료의 표면을 원자단위 수준으로 측정할 수 있는 현미경이다.
그림 (a)노란색 화살표는 탐침의 이동 방향, 그림 (b)의 수직 방향의 분극의 변화, 그림 (c)는 수평 방향의 분극의 변화를 나타내는 그림이다. 이미지는 압력이 가해질 경우, 시료 내부의 분극 방향을 알아낼 수 있는 압전 감응 힘 현미경(Piezoresponse Force Microscopr)로 얻은 것이다.
그림 (d)는 탐침이 오른쪽으로 이동할 경우, 강유전체인 비스무스산화철 내부의 분극들은 180。방향으로 전환됨을 보여주며, 그림 (e)는 탐침이 왼쪽으로 이동할 경우, 분극이 71。의 전환이 나타남을 모식도로 보여준다.

▲ [그림 2] 후행 변전장을 이용한 강유전체 분극의 선택적 제어IBS 강상관계물질 연구단 연구진은 이번 연구에서 후행 변전장이라는 새로운 물리적 개념을 제안했다. 물질이 휠 때, 내부에 전기장이 발생하는 변전효과를 강유전체에 적용할 경우, 전압이 가해지는 방향 뒤편으로 강유전체 내 분극의 방향 전환이 발생한다는 설명이다.
위 이미지는 후행 변전장을 이용하면 강유전체 내 분극의 방향을 선택적으로 제어할 수 있음을 도식도로 표현했다. 연구진은 강유전체 물질인 비스무스산화철을 한 방향의 분극을 가지도록 나노박막 형태로 제작했다. 그림(a)처럼 탐침의 압력이 가해질 경우 유전체 내 분극 방향은 변화한다. 그림 (b)를 보면 탐침이 왼쪽 앞으로 갈 경우, 뒤편인 오른쪽 뒤편의 변전장에 의해 마지막으로 분극의 방향 전환이 일어나고 그림 (c)처럼 오른쪽으로 탐침이 움직일 경우, 탐침 왼쪽 뒤편의 변전장에 의해 마지막으로 분극의 방향 전환이 발생한다.
연구진은 변전효과에 의한 강유전체 내 분극 변화를 후행 변전장에 의한 것으로 설명했으며 해외 연구진과의 공동 연구를 통해 이론적으로도 입증했다.