금속·절연체 상전이 규명…차세대 소자 효율↑

국내 연구팀, 상전이에 영향을 주는 '응력-열-전기' 상호관계 밝혀내

▲이산화바나듐(VO2) 나노 단결정을 이용해 제작된 2-단자 나노소자의 그림(A)과 사진(B).[사진제공=GIST]

[아시아경제 정종오 기자] 금속과 절연체 상전이 현상을 조절하는 에너지 원리가 규명됐다. 상전이에 영향을 주는 응력-열-전기 상호관계가 밝혀져 앞으로 차세대 전자소자 효율 향상이 기대된다.

국내 연구팀이 단결정 이산화바나듐(VO2) 나노빔의 '금속-절연체 상전이(相轉移)' 현상에 영향을 미치는 세 가지 에너지인 '응력(應力?stress)-열?전기' 사이의 상호관계를 규명하는 데 성공했다. 이를 응용해 초고속 스위칭, 메모리 소자 등의 첨단 기기를 다양한 에너지로 제어하면 에너지 손실을 줄일 수 있을 것으로 기대된다.

금속-절연체 상전이란 물질의 원자 또는 분자구조, 조성 상태가 바뀌는 것(고체↔액체↔기체)을 의미한다. 전기가 통하는 금속 상태에서 온도 변화 등에 의해 전기가 통하지 않는 절연체로 변화되는 경우 '금속-절연체 상전이(Metal-Insulator phase Transition)'라고 부른다.

이산화바나듐(VO2) 나노 단결정의 '금속-절연체 상전이' 현상은 상온에 가까운 온도(절대온도 340K=66.85℃)에서 수십 펨토 초(fs·초)의 초고속으로 일어나기 때문에 차세대 스위칭 소자에 응용할 수 있어 많은 주목을 받고 있다. 금속-절연체 상전이 현상은 다양한 에너지원에 의해 복합적으로 영향을 받는데 응력-열, 응력-전기, 전기-열 등 두 에너지 간 상호관계는 어느 정도 밝혀졌는데 '응력-열-전기' 세 가지 에너지 사이의 상호관계에 대해서는 명확히 규명되지 않았다.

연구팀은 이산화바나듐(VO2) 나노 산화물과 기판 간의 접착력을 이용해 나노 산화물에 가해진 응력을 조절해 구조를 변화시켰다. 응력의 정도에 따라 열과 전기 에너지가 서로 다른 양으로 상전이 현상에 영향을 미치고 있음을 밝혀낸 것이다.

연구팀은 이산화바나듐(VO2) 나노 단결정에 가해지는 응력의 정도를 조절하기 위해 탄성체 스탬프를 이용한 전사(轉寫?transfer)와 용액을 이용한 전사 방법을 각각 사용해 나노 단결정을 기판에 옮겼다. 그 결과 탄성체 스탬프로 전사된 나노 단결정이 용액으로 전사된 경우보다 상대적으로 더 많은 응력(stress)을 받는다는 것을 알아냈다.

연구팀이 서로 다른 응력을 받는 나노 단결정에 안정적으로 열에너지와 전기에너지를 적용한 결과 큰 응력이 가해진 나노빔에서 상전이를 이루기 위해 필요한 전압이 온도에 대해 훨씬 민감하게 나타났다. 탄성체 스탬프는 고무와 같은 성질을 가지는 탄성체를 이용해 만든 스탬프로 전사 기술에서 물질을 한 곳에서 다른 곳으로 옮기는 역할을 한다.

지스트(GIST·광주과학기술원) 신소재공학부 김봉중 교수(교신저자)와 한국기초과학지원연구원 홍웅기 박사(공동교신저자)가 이번 연구를 이끌었다. 지스트 신소재공학부 김민우 박사과정생(제1저자)이 수행했다. 연구 결과는 네이처(Nature) 자매지인 사이언티픽 리포츠(Scientific Reports) 6월 4일자 온라인판(논문명 : Substrate-mediated strain effect on the role of thermal heating and electric field on metal-insulator transition in vanadium dioxide nanobeams)에 실렸다.

김봉중 교수는 "이번 연구 성과는 이산화바나듐(VO2) 나노 단결정의 상전이에 작용하는 에너지원들의 상관관계를 규명하고 상전이 특성을 제어함으로써 상전이 현상에 대한 이해의 폭을 넓힌 것"이라며 "앞으로 금속-절연체간 상전이 현상을 이용하는 차세대 메모리, 디스플레이, 센서, 스위칭 소자 등의 새로운 기능소자 개발과 응용에 적극 활용할 수 있을 것"이라고 설명했다.

정종오 기자 ikokid@asiae.co.kr