포스텍(총장 김무환)은 손준우 신소재공학과 교수와 박재성 박사, 최시영 교수 공동연구팀이 고체 기반 전기화학 스위칭 소자의 동작 속도를 조절하는 신소재 원천기술을 개발했다고 9일 밝혔다.
연구팀은 기판과 스위칭 소재의 격자 대칭성을 조절, 수직으로 잘 배열된 면결함(도메인 경계)을 인위적으로 만들었다. 육각 대칭 산화알루미늄 기판 위에 단사정계 스위칭소재 박막을 성장시키면 도메인 경계가 자발적으로 나노미터(㎚)의 일정한 간격을 갖고 정렬하게 된다.
이를 통해 수소 이온이 격자를 통하는 것보다 도메인 경계를 통해 확산 및 반응하는 것이 더 효율적이라는 사실을 확인했다.
또 도메인 경계를 통한 확산계수와 계면 교환 계수가 약 수십만배 증가하는 것을 분석, 면결함이 수소 이동을 위한 고속도로 역할을 한다는 사실을 입증했다.
이와 같은 기본 원리를 바탕으로 도메인 경계가 포함된 소자의 경우 전압에 의해서 스위칭 소재 기반 전기화학 트랜지스터가 빨리 동작함을 검증했다. 기존 이온 이동을 바탕으로 하는 전기화학 스위칭 소자의 동작 속도에 관한 단점을 획기적으로 개선할 수 있을 것으로 기대된다.
손준우 교수는 “기초과학 측면에서는 가역적인 이온이 소재 격자 내부의 면결함에 주입되는 기작에 관한 근본적인 통찰을 했다는 점에서 의의를 찾을 수 있다”고 설명했다.
연구팀은 이번 연구를 통해 얻어진 소재 원천기술을 이용해 이온 이동을 바탕으로 하는 센서, 액추에이터, 전기변색 스마트 윈도, 뉴로모픽 소자와 같은 응용 기술의 동작 속도를 높일 수 있을 것으로 기대하고 있다.
삼성전자미래기술육성센터, 미래창조과학부 기초연구사업, 글로벌프론티어사업, 산업통상자원부 산업기술혁신사업 지원으로 수행된 이번 연구성과는 최근 재료 과학 분야의 저명 학술지 'ACS Nano'에 게재됐다.
포항=정재훈기자 jhoon@etnews.com
