상온에서 전기·자기 성질 갖는 합성물 발견

우리나라 과학자 공동연구, 20일 사이언스지에 게재

우리나라 과학자들이 다중강성 물질인 ‘비스무스철산화물(BiFeO3)’이 상온에서 전기적 성질과 자기적 성질을 동시에 갖는다는 점을 처음 규명했다.

19일 한국원자력연구원에 따르면 정상욱 미국 럿거스대 물리학과 교수, 같은 대학 최택집 박사후연구원, 이성수 원자력연구원 선임연구원이 단결정 형태로 합성한 큰 크기의 비스무스철산화물이 상온에서 다이오드 특성과 광기전력 효과를 갖는다는 점을 찾아냈다.

이 연구결과를 담은 논문은 세계적인 과학학술지 ‘사이언스’ 온라인판에 20일 실렸다.

이번 연구에서 정 교수팀은 커다란 크기의 단결정 비스무스철산화물을 합성해 상온에서 다중강성 특성을 찾아냈다.

다중강성이란 자연상태에서 전기편극을 띠는 ‘강유전성’(ferroclectricity)과 외부 자기장이 없이도 자성을 띠는 ‘강자성’(ferromagnetism)을 동시에 갖는 성질이다.

이런 성질을 가진 물질은 외부에서 전기장이나 자기장이 생기면 내부특성이 변해 메모리 소자나 전기·자기적 소자로 쓸 수 있는 등 한가지 특성을 가진 물질보다 응용 가능성이 많다.

정 박사팀은 비스무스철산화물을 기존 합성방식인 얇은 필름형태과 달리 1cm×0.5cm×2mm 크기의 단결정 형태로 만들어 내부의 전하수송 특성과 전기분극 현상 사이의 상관성을 연구했다.

연구결과 외부 전기장의 크기와 방향에 따라 이 물질의 내부 전하분극 방향이 바뀌고 전하수송현상도 조절할 수 있는 다이오드특성을 갖고 있다는 것을 처음 찾아냈다.

이 단결정 비스무스철산화물의 다이오드 특성은 새로운 전자소자 개발에 직접 응용될 수 있을 것으로 보인다.

이 물질은 광기전력 특성도 함께 띈다.

광기전력은 빛을 쪼이면 기전력이 생기는 현상으로 기존의 태양전지는 금속과 반도체의 접촉면 등에 빛을 쪼여야 전기가 만들어지지만 이 물질은 외부 영향 없이도 전기가 생긴다.

정 교수팀의 이 같은 연구성과는 다중강성 물질연구의 새 연구방향을 제시하고 미래의 산화물 전자소자 및 소재개발은 물론 관련산업에 영향을 줄 것으로 기대된다.

이성수 원자력연구원 박사는 “이번 연구는 기초적 단계지만 고품질의 반도체부품이나 태양전지셀 등에 쓸 수 있는 새 소자를 만들어낼 수 있는 시초가 될 수 있을 것”이라고 말했다.

노형일 기자 gogonhi@asiae.co.kr