[뉴스핌=양창균 기자] 박막형 차세대 메모리 개발의 핵심소재인 강유전체(强誘電體) 산화물의 계면(界面, interface)에서 일어나는 전기화학적 현상과 물질의 원자구조를 동시에 관찰할 수 있는 분석방법이 국내 연구진에 의해 세계 최초로 개발됐다. 이에 따라 각종 산화물 전자소자 개발 연구가 탄력을 받을 전망이다.
한국기초과학지원연구원(원장 정광화) 전자현미경연구부 김영민 박사는 차세대 메모리 및 정보 저장 소자로 주목받고 있는 강유전체 산화물의 자발적 분극(分極)이 계면에서 전기화학적으로 조절되는 현상을 ‘수차보정 전자현미경’을 활용해 원자단위에서 직접 관찰하는데 세계 최초로 성공했다고 18일 밝혔다.
이번에 개발된 분석기술은 ‘수차보정 전자현미경’의 극소 공간에 대한 이미징기능을 극대화시킨 예로서 고체 물질의 계면에서 일어나는 전기화학적 현상과 물질의 원자 구조를 동시에 관찰할 수 있는 획기적인 연구방법으로 평가받고 있다.
지금까지 ‘수차보정 전자현미경’을 활용한 연구는 물질의 원자 구조와 구성 성분만 관찰하는데 주로 그쳤다. 하지만 이번에 개발된 분석법을 통해 산화물 계면에서 발생하는 전기화학적 현상을 동시에 관찰할 수 있게 됨에 따라 그 동안 베일에 가려졌던 물리 현상을 직접 보면서 이해할 수 있게 되어 기초과학 뿐만 아니라 관련 신소재 개발 연구도 강력한 추진력을 얻게 될 전망이다.
이번 연구성과는 기초지원연과 미국 오크리지 국립연구소(Oak Ridge National Lab.)의 공동연구를 통해 이뤄졌으며, 물리 및 재료과학 분야 세계 최고 권위의 학술지인 ‘네이처 머트리얼스(Nature Materials)'誌 8월 17일자 온라인판 (논문명: Direct observation of ferroelectric field effect and vacancy-controlled screening at the BiFeO3-LaxSr1-xMnO3 interface, 김영민(주저자), IF=35.749)에 게재됐다.
이번 연구에서 김영인 박사는 대표적인 다중강성체(多重强性體)인 비스무스페라이트(BiFeO3) 박막의 계면에서 분극의 방향에 따라 감극현상이 일어나는 이유가 다름을 원자단위에서 처음으로 규명했다. 이를 위해 ‘수차보정 투과전자현미경’을 활용해 원자의 위치 변화를 피코미터(pm; 1조분의 1미터=10-12m) 단위로 추적했고 계면에서 일어나는 화학적 변화를 직접 관찰하기 위해 ‘전자에너지손실분광기’를 활용하여 계면에서 바뀌는 금속원소의 산화상태를 직접 이미징하는데 성공했다.
이를 통해 양전하가 모인 계면에선 산소 공공이 재배열함으로서 감극이 이뤄지는 반면 음전하가 모인 계면에선 전자-정공의 재배열에 의해 감극이 제어된다는 사실을 발견한 것이다.
특히 산소 공공은 전자보다 이동속도가 낮기 때문에 외부 전기장을 가해 분극 방향을 바꾸어 주는 분극 스위칭을 할 때 산소 공공의 전기화학적 요소가 스위칭 속도에 더 큰 영향을 미치게 되므로 산화물 유전체(誘電體)를 메모리 및 기억 소자로 응용할 때 소자의 성능을 예측하는데 중요한 정보를 줄 것으로 기대된다.
기초지원연 전자현미경연구부 김영민 박사는 “이번 연구를 통해 그 동안 과학계의 숙제로 남아있던 감극현상의 원리를 규명할 수 있었던 것은 ‘원자단위에서 직접 보면서 이해’할 수 있는 가장 직관적 분석 체계인 ‘수차보정 전자현미경’의 막강한 잠재력을 이용할 수 있었기 때문”이라며 “앞으로 재료의 구조-성질간의 상관관계를 규명할 수 있는 전자현미경 분석기술 개발에 더 박차를 가할 것”이라고 포부를 밝혔다.
[뉴스핌 Newspim] 양창균 기자 (yangck@newspim.com)
