박막형 차세대 메모리 및 소자 개발을 위한  

신물질 개발 성공

물질의 산소원자 결함 조절만으로 산화물 유전분극 현상 제어

- 기초지원연 김영민 박사, ‘Nano Letters`` 誌에 논문 발표 -

□ 전기적 유전(誘電) 특성이 없는 물질의 산소원자 결함을 조절함으로써 강유전체(强誘電體)로 바뀌는 현상을 밝혀냄에 따라 향후 박막형 차세대 메모리 및 각종 전자소자 개발에 새로운 가능성이 열리게 됐다.

□ 한국기초과학지원연구원(원장 정광화, 이하 기초지원연) 전자현미경연구부 김영민 박사는 인공 초격자(超格子, Superlattice) 산화물 내 산소원자 결함(Oxygen Vacancy ;물질 구조 내 산소 원자의 빈자리)의 분포에 따라 유전분극(誘電分極)이 조절되는 메카니즘을 ‘수차보정 전자현미경’을 활용하여 원자단위에서 처음 규명했다고 4월 22일 밝혔다.

□ 김영민 박사팀은 이번 연구를 통해 박막형태로 전자소자에 사용되는 강유전 산화물의 유전특성을 간단한 산소원자 결함 조절만으로 구현할 수 있다는 것을 입증함에 따라 박막형 차세대 메모리 및 전자소자 개발에 새로운 가능성을 열게 됐다.

□ 이번 연구에서 김 박사팀은 먼저 자연상태에서 유전특성을 나타내지 않는 산화물 두 가지를 결합해 인공 초격자 재료를 만들고, 이 초격자 재료의 결정 구조 내 산소원자 결함을 조절하게 되면 전기장을 가하지 않아도 스스로 전기분극을 만들어 내는 강유전체(强誘電體) 물질로 변화된다는 사실을 전자현미경으로 처음 발견함에 따라 차세대 메모리 및 스위칭 기능소자로 활용할 수 있는 후보물질 개발에 새로운 전기가 마련됐다.

□ 이번 연구성과는 나노과학분야 세계적 학술지인 ‘나노레터스(Nano Letters)``誌 4월 18일자 온라인판(논문명: Oxygen-vacancy-induced polar behavior in (LaFeO3)2/(SrFeO3) superlattices, IF=13.025)에 게재됐다.

□ 기초지원연 김영민 박사가 미국 오크리지 국립연구소(Oak Ridge National Laboratory) 연구팀과 공동 주도한 이번 연구는 두 기관이 함께 수행중인 ‘수차보정 투과전자현미경 분석기술 공동개발’의 일환으로 이뤄졌으며, 연구에 사용된 소재 개발은 미국 알곤 국립연구소(Argonne National Laboratory)가 담당했다.

□ 특히 이번 연구에 사용된 인공 초격자 산화물은 자연상태에서 자성을 나타내지만 유전(誘電) 특성은 없는 물질인 란타늄페라이트(LaFeO3)2/스트론튬페라이트(SrFeO3)의 두가지 물질들을 인위적으로 조합하여 만들었으며, 이 물질 안에 산소원자 결함이 존재하면 자성은 유지되면서 유전(誘電)성질이 새롭게 나타나는 현상을 최초로 밝혀냈다.

□ 또한 물질 안에 산소원자 결함을 형성하는 것은 실제 제조 공정상에서 산소 분압을 제어함으로 손쉽게 조절가능하기 때문에, 차세대 메모리 및 자장센서 소재로 각광 받고 있음에도 불구하고, 후보물질 발굴이 어려웠던 박막형 다중강성체(多重强性體) 개발에 새로운 전기를 마련하였다는데 큰 의의가 있다.

□ 기초(연) 전자현미경연구부 김영민 박사는 “이번에 전자현미경으로 규명된 새로운 물리 현상은 박막형 산화물 전자소자의 원천 연구에 중요한 정보를 제공할 것으로 전망된다”라며, “향후 차세대 메모리, 스핀밸브 소자를 비롯한 새로운 특성을 갖는 전자소자 개발에 큰 모멘텀을 줄 것으로 기대한다”고 밝혔다.

□ 한편 이번 연구를 통해 발견된 새로운 현상은 물질의 원자구조를 확인하면서 유전(誘電)성질을 함께 분석할 수 있는 기초지원연의 전자현미경 분석기술이 핵심적인 역할을 하였다.

☎ 문의처 : 기초지원연 전자현미경연구부 김영민 박사(042-865-3947, mirage91@kbsi.re.kr)