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양찬호 교수, 전기적 위상 결함 제어기술 개발
〈 양 찬 호 교수, 김 광 은 박사과정 〉
우리 대학 물리학과 양찬호 교수 연구팀이 강유전체 나노구조에서 전기적인 위상 결함을 만들고 지울 수 있는 기술을 개발했다.
이 기술을 통해 전기적 위상 결함 기반의 저장 매체를 개발한다면 대용량의 정보를 안정적으로 저장할 수 있을 것으로 기대된다.
이번 연구는 포스텍 최시영 교수, 포항 가속기연구소 구태영 박사, 펜실베니아 주립대학 첸(Long-Qing Chen) 교수, 캘리포니아 대학 라메쉬 교수 등과 공동으로 수행됐다. 김광은 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 1월 26일자에 게재됐다.
위상학은 물체를 변형시켰을 때 물체가 가지는 성질에 대한 연구를 하는 학문으로, 원과 삼각형은 위상학적으로 동일한 물질이라고 할 수 있다.
2016년도 노벨 물리학상 발표 기자회견에서 노벨위원회는 위상학의 개념을 구멍이 한 개 뚫린 베이글 빵, 구멍이 없는 시나몬 빵, 유리컵 등에 비유했다. 시나몬 빵과 유리컵은 다르게 보이지만 구멍이 없다는 점만 따지면 위상학적으로 같은 물질이 된다. 하지만 구멍의 개수가 다른 베이글과 시나몬 빵은 위상학적으로 다른 물질이 되는 식이다.
즉 물질에서 위상학적이라 함은 연속적인 변형으로는 그 특성을 변화시킬 수 없는 절대적인 보존량을 말한다. 이러한 위상학적 특징을 이용해 정보저장 매체를 만들면 외부의 자극으로부터 보존되며 사용자의 의도대로 쓰고 지울 수 있는 이상적인 비휘발성 메모리를 제작할 수 있다.
강유전체와 달리 강자성체(자기적 균형이 깨진 상태, 외부 자기장을 제거해도 자기장이 그대로 남아있음)의 경우는 소용돌이 형태의 위상학적 결함 구조가 이미 구현됐다.
반면 외부 전기장 없이도 스스로 분극을 갖는 강유전체는 자성체에 비해 위상학적 결함 구조를 더 작은 크기로 안정시키고 더 적은 에너지를 이용해 조절할 수 있다는 장점이 있음에도 불구하고 초보적인 연구 단계에 머물러 있었다. 실험적으로 위상학적 결함 구조를 어떻게 안정화시키며 어떠한 방식으로 조절할 것인지에 대한 연구가 부족했기 때문이다.
연구팀은 문제 해결을 위해 강유전체 나노구조에서 비균일한 변형을 줘 위상학적 결함 구조를 안정시키는 데 성공했다. 연구팀은 강유전체 나노접시(ferroelectric nanoplate) 구조를 특정 기판 위에 제작해 접시의 바닥면에는 강한 압축 변형을 주는 동시에 옆면과 윗면은 변형에서 자유로운 구조를 만들었다.
이러한 구조는 방사형으로 압축변형 완화(Compressive strain relaxation)가 일어나 격자의 변형이 오히려 강유전체의 소용돌이 구조를 안정화시키게 된다. 연구팀은 이번 연구가 고밀도, 고효율, 고안정성을 갖춘 위상학적 결함기반 강유전 메모리에 핵심적인 원리를 제시했다고 말했다.
양 교수는 “강유전체는 부도체이지만 위상학적 강유전 준입자가 국소적으로 전자 전도성을 수반할 수 있어 새로운 양자소자 연구로 확대될 수 있을 것이다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 창의연구지원사업, 선도연구센터지원사업, 글로벌프론티어사업 등의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 전기적 위상 결함 개수를 조절하여 만든 5가지의 다른 위상 구조
2018.02.08 조회수 29290 -
양찬호 교수, 자석 아닌 물질이 자성(磁性) 갖게 하는 기술 개발
우리 대학 물리학과 양찬호 교수 연구팀이 전기장을 통해 자석이 아닌 물질이 자성을 갖게 하거나 그 반대로 자석 내의 자성을 없앨 수 있는 기술을 개발했다.
이 연구를 통해 자성 물질 기반의 저장 매체를 개발한다면 대용량의 정보를 빠른 속도로 이용할 수 있을 것으로 기대된다.
장병권 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구 성과는 물리학 분야 학술지 ‘네이처 피직스(Nature Physics)’ 10월 3일자 온라인 판에 게재됐다.
물질의 내부에는 아주 작은 자석들이 존재한다. 그 작은 자석들이 무질서하게 여러 방향으로 향하고 있으면 비 자성 상태이고, 일정한 방향으로 정렬이 이뤄지면 우리가 흔히 볼 수 있는 자석이 된다.
테라바이트 이상의 외장하드를 쉽게 구할 수 있을 정도로 저장 매체의 용량 기술은 발전했다. 그러나 용량 증가는 필연적으로 저장 매체의 읽고 쓰는 속도를 느리게 만든다. 현재 가장 널리 쓰이는 하드 디스크(HDD)의 느린 데이터 접근 속도로는 다른 기술과 조화되기 어려운 상황이다.
이에 따라 SSD, 플로팅 게이트(Floating gate), 저항 방식(Resistive switching) 방식 등이 대안으로 떠오르고 있으나 기록을 할 때마다 흔적을 남기기 때문에 피로 누적 현상을 피할 수 없다는 한계를 갖는다.
정보를 자성 상태로 기록하면 속도가 빠르고 피로 누적 현상을 없앨 수 있기 때문에 저장 매체의 최소 저장 공간인 셀(Cell)을 자성 물질로 구성하려는 시도가 많았다. 주로 전류의 흐름을 통해 유도된 자기장을 이용하는 방식인데, 자기장은 자폐가 매우 어려워 넓은 범위에 영향을 끼치기 때문에 인접한 셀의 자성도 변화시킨다.
셀 하나하나를 조절할 수 없기 때문에 일정한 방향으로 정렬시킬 수 없어 자성의 상태를 바꾸기가 어려웠다.
연구팀은 문제 해결을 위해 자기전기 상호작용을 통해 자성 상태를 조절했다. 자기전기 상호작용은 자기장이 아닌 전기장을 이용해 전류의 흐름 없이 자성 상태를 조절하는 방식으로 에너지 소모가 적다는 장점을 갖는다.
연구팀은 실험을 통해 전기장 인가만으로 무질서하게 임의의 방향을 향하고 있는 셀들이 일정한 방향을 향하고 있음을 확인했다. 또한 반대로 일정한 방향에서 다시 무질서한 상태로도 변화가 가능함을 증명했다.
기존에 보고된 자기전기 현상은 통상적으로 극저온이나 고온에서 발현이 가능했다. 그러나 이번 기술은 화학적 도핑을 통해 상온에서도 작동이 가능하고, 변환이 가역적이며 비휘발성을 갖기 때문에 차세대 정보 저장 소자 개발의 발판이 될 것으로 기대된다.
양 교수는“이번 전기적 자성상태의 변화는 엔트로피 변화를 동반하고 있을 것으로 예상한다”며“자기전기 소자 응용뿐만 아니라 열전 현상의 새로운 가능성을 열 것으로 기대된다”고 말했다.
이번 연구는 재료연구소 최시영 박사, 포항공대 정윤희 교수, 포항 가속기연구소 구태영 박사, 막스플랑크 연구소 고경태 박사, 미국 스탠포드 가속기연구소 이준식 박사 와 헨드릭(Hendrik Ohldag) 박사, 호주 뉴사우스웨일즈 대학 잔(Jan Seidel) 교수 등과 공동으로 진행됐다.
한국연구재단의 중견연구자지원사업, 글로벌연구네트워크지원사업, 선도연구센터지원사업(응집상 양자 결맞음 연구센터)과 글로벌프론티어사업(하이브리드 인터페이스기반 미래소재 연구단) 등의 지원을 통해 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 전기장 인가를 통한 자성 방향의 변화를 나타낸 개념도
2016.10.27 조회수 15984 -
휘어지는 물질에서 증폭된 광전기 효과 발견
양 찬 호 교수
우리 대학 물리학과 양찬호 교수 연구팀이 물질이 휘어질 때 광전기(光電氣) 효과가 증폭되는 것을 발견하고 그 원인을 규명했다.
이번 연구결과는 나노과학기술 분야 학술지 ‘네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)’ 8월 31자 온라인 판에 게재됐다.
광전기 효과는 빛 에너지가 전기 에너지로 전환되는 현상으로 이 효과를 이용하면 온실가스 배출 없이 전기를 만들 수 있다. 따라서 전 세계적으로 안정적이고 저렴하며 효율이 높은 광전기 효과를 발생시키는 물질 및 구조를 찾는 연구가 활발히 진행되고 있다.
기존 태양광 소자들은 다른 물질을 붙이거나 P형-N형 반도체를 접합하는 등 두 개 이상의 물질을 이용하는 방식으로 광전기 효과를 일으켰다.
하지만 연구팀은 단일 물질에서도 휘어지는 변형이 발생했을 때 마치 두 물질의 경계면에서 광전기 효과가 일어나는 것과 흡사한 현상을 발견했다.
P형-N형 반도체 접합에서만 가능했던 전기장 생성이 단일 물질의 휘어짐으로도 가능함을 확인해 좀 더 효율적인 광전기 소자 제작이 기대된다.
물질의 일반적인 휘어짐으로는 얻을 수 있는 광전기 효과가 크지 않아 실용성이 없었다. 하지만 연구팀은 나노미터 크기의 구조까지 관찰해 물질이 자발적으로 매우 크게 휘는 구간을 발견했다.
그리고 수십 나노미터(1억분의 1미터)의 곡률(曲律)로 크게 휘어진 이 물질이 통상적인 물질에 비해 100배 증폭된 광전기 효과를 생성함을 규명했다.
광전기 효과가 증폭된 원인은 물질이 휘어질 때 발생하는 전기장에 있다. 물질이 빛을 받으면 원자에 묶여있던 전자가 잠깐 움직일 수 있는 상태가 되는데 일반적으로는 원자에 다시 속박된다.
하지만 물질이 휘어지는 구간에서는 전기장이 유의미한 강도로 세게 발생해 전자가 원자의 속박을 벗어나 외부로 빠져나와 전류가 흐를 수 있는 것이다.
특히 나노미터 규모의 미시적 구조에서는 물질이 크게 휘어진 상태가 흔하게 존재하기 때문에 연구팀의 규명은 작은 나노소자 연구에 유용할 것으로 예상된다.
또한 연구팀은 물질 표면의 전기기계적 성질을 10나노미터의 해상도로 이미지화할 수 있는 기술을 개발했다. 이 기술은 전기장 분포를 유추할 수 있어 다양한 나노스케일 연구에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
양 교수는 “휘어진 정도가 큰 경우에 플렉소전기 현상의 비선형 움직임이 중요함을 제안했다.”며 “이러한 비선형 거동은 전기기계적 성질의 계보를 잇는 새로운 현상으로 학술적 가치가 높다”고 말했다.
이번 연구는 우리 대학 김용현 교수, 포항공대 조문호 교수, 오상호 교수, 포항 가속기연구소 구태영 박사, 재료연구소 최시영 박사 등과 공동으로 진행됐고, 한국연구재단의 중견연구자지원사업을 통해 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 물질이 휘어질 때 광전기 효과가 발생함을 나타낸 개념도
2015.09.15 조회수 11432 -
전기적‧자기적 성질 동시에 갖는 신물질 물성 규명
- 네이처 커뮤니케이션 발표, “현존 저장장치(RAM)의 장점만을 취한 차세대 메모리 개발 가능성 열어”-
국내 연구진이 상온에서 전기적 성질(강유전성)과 자기적 성질(자성)을 동시에 갖는 새로운 물질인 ‘다강체’의 물성을 규명하여 현존하는 저장장치(RAM)의 장점만을 취한 차세대 비휘발성 메모리 개발에 새로운 가능성을 열었다.
양찬호 교수가 주도하고 박재훈 교수(포스텍), 정윤희 교수(포스텍) 및 김기훈 교수(서울대) 등이 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 직무대행 김병국)이 추진하는 중견연구자지원사업(핵심연구)의 지원을 받아 수행되었고, 연구결과는 세계 최고 권위의 과학전문지 ‘네이처(Nature)’의 자매지인 ‘네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)"에 11월 29일자로 게재되었다. (논문명: Concurrent transition of ferroelectric and magnetic ordering near room temperature)
양찬호 교수 연구팀은 다강체(비스무스 철산화물)를 단결정 박막으로 만들 때 발생하는 압축 변형의 결과로, 강유전* 상전이와 자성 상전이가 같은 온도**에서 동시에 일어나는 새로운 물질의 상태를 발견하였다.
*) 강유전(Ferroelectricity) : 전기장을 가하지 않아도 자연 상태에서 양이온과 음이온으로 분리되는 성질
**) 상전이(Phase transition) 온도 : 물질이 갖는 물성의 상태인 상(像, phase)이 특정 온도에서 바뀌기도 하는데, 그 온도를 지칭함
강유전체는 대용량 데이터를 저장(D램)할 수 있으면서 작동 속도가 빠르며(S램) 전원 없이도 데이터가 지워지지 않는(플래시 메모리) 장점만을 고루 갖춘 차세대 반도체 메모리(F램)의 핵심 물질이고, 자성체는 자기를 이용해 정보를 기억하는 새로운 형태의 기억소자(M램)의 필수적인 요소이다.
이 두 이질적인 현상이 하나의 물질에서 동시에 발생하는 것은 대단히 희귀한 일로서, 특히 각각의 상전이 온도가 일치한다는 것은 진성(proper) 강유전체에서는 전례가 없는 것이다.
이것은 전기적 성질과 자기적 성질이 상호 연관성이 강하다는 것을 의미하는 것으로, 전기적으로 자성을 조정하거나 자기장으로 유전 분극을 조정하는 것을 기반으로 한 신개념 비휘발성 메모리 소자 개발에 한걸음 다가선 것으로 평가된다.
기존의 비스무스 철산화물은 탁월한 상온 강유전성에도 불구하고 자기-전기 상호작용에는 의문점이 있었다. 그러나 양 교수팀이 새롭게 발견한 상태는 기존의 물질과는 결정구조가 다른 신물질로서, 발현되는 모든 물성이 획기적으로 다르며, 전기와 자기 상전이의 일치라는 뜻밖의 결과를 확인하였다. 전기적‧자기적 질서의 상전이 온도가 같은 유일한 진성 강유전 물질의 발견은 자기-전기 상호작용을 연구할 새로운 모델 물질을 찾았다는데 의미가 있다. 또한 상전이 온도가 상온이라는 점은 응용 가능성이 크다는 점을 시사한다. 양찬호 교수는 “이번 연구결과를 통해 현재 응집물질물리 및 재료과학 분야의 한 화두인 다강체 연구에서 우리 연구팀이 새로운 물질을 발견하고 주요 물성을 밝혀냄에 따라, 세계 다강체 연구에서 선도적 입지를 차지할 수 있을 것으로 기대한다”고 연구의의를 밝혔다.T-BFO 박막의 강유전 도메인 구조
2011.12.22 조회수 15243