[이대수 교수 연구실] 산화물 유전체 초박막에서 초거대 변전저항 효과 발견

Caption: (왼쪽) 변전효과에 의한, SrTiO3 초박막 전기분극 유도. (오른쪽) SrTiO3 초박막에서 변전효과를 통해 구현된 초거대 변전저항 효과.

포스텍(포항공대) 이대수 교수 연구팀이 변전효과를 통하여 유전체 물질의 전기적 상태를 제어할 수 있는 초거대 변전효과를 발견하였다. 

물리학과 이대수 교수 연구팀, 서울대학교 물리학과 노태원 교수 연구팀, Pennsylvania State University 연구팀, 그리고 University of Nebraska, Lincoln 연구팀과의 (국제) 공동연구를 통해, 유전체 물질의 전기적 상태를 물질 손상없이 안정적으로 제어할 수 있는 방법을 발견하였다고 밝혔다. 이 연구는 저명 학술지인 Nature Communications 최신호에 게재됐다. 이번 연구는 새로운 개념의 전기저항 방법을 제시함으로써, 유전체의 전기적 특성을 효과적으로 연구하고 응용할 수 있는 토대를 마련한 연구로 평가된다.

물질은 전기적 상태에 따라서 크게 도체, 절연체 (유전체; dielectric), 반도체로 구분할 수 있다. 반도체는 전기적 상태 제어가 용이하여 현대 전기전자공학의 기본이 되는 물질이 되어왔다. 그에 반해, 도체나 유전체는 전기 상태 제어가 힘들다. 도체의 경우, 물질 내부에 전기장이 모두 상쇄되어 없어지고, 유전체의 경우 전기 상태 제어를 위해서는 매우 높은 전기장이 필요하지만 높은 전기장 하에서는 물질이 영구적인 손상을 입을 수 있다. 이를 극복하기 위해, 강한 전기장을 매우 짧게 가해주어 절연체의 상태를 일시적으로 도체로 만드는 연구가 진행되어 왔다. 하지만, 이는 일시적인 제어 방법으로, 정적으로 절연체의 전기적 상태를 제어할 수 있는 방법은 그동안 없었다. 이번 논문을 통해 저자들은 아주 얇은 SrTiO3 박막에 변전효과 (flexoelectricity)를 통해 매우 강한 정전기장을 물질 손상없이 가해줄 수 있다는 것을 발견하였다. 또한, 이러한 비파괴적인 강한 정전기장 하에서 유전체 물질의 밴드 구조가 크게 변형되고 제너 항복 (Zener breakdown)이 일어나 전기적 상태가 도체 상태로 바뀌는 것을 실험적으로 보였다.

연구를 주도한 이대수 교수는 “본 연구는 최근 이슈가 되고 있는 변전효과에 대한 새로운 연구 방향을 제시하며, 기존의 물질 분류에 새로운 시각을 제시하는 한편 유전체를 이용한 새로운 물성/기능성을 설계할 수 있을 것으로 기대한다.” 라고 밝혔다.