최근 D램을 대체할 비휘발성 메모리로 F램이 각광받고 있는 가운데, F램의 주성분으로 각국의 과학기술자들이 경쟁적으로 연구를 진행하고 있는 강유전체의 새로운 메커니즘이 포스텍(POSTECH) 석사과정 학생에 의해 밝혀졌다.
포스텍 첨단재료과학부-신소재공학과 장현명 교수와 석사과정 옥민애씨 연구팀은 인듐망가나이트(InMnO3)가 새로운 형태의 강유전 분극을 일으킬 것을 예측, 그 메커니즘을 세계 최초로 규명했다.
세계적인 물리학 권위지 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’에서 이례적으로 3개월 만에 게재를 결정했을 정도로 학계에 주목을 받고 있는 이번 연구성과는 특히, 아직 25살에 불과한 석사과정생의 주도로 이루어졌다는 점에서 눈길을 모으고 있다.
자기적 특성과 강유전성을 동시에 갖는 특이한 물질을 ‘다강성 물질(multiferroics)’이라고 하며, 이 물질을 이용하면 전기장과 자기장을 이용해 분극현상을 자유자재로 조절할 수 있어 새로운 비휘발성 메모리나 센서를 개발할 수 있다.
이 때 일어나는 분극현상은 전자의 껍질인 오비탈(orbital)이 비어 있는 상태여야만 양이온과 음이온이 각자 끼어 들어갈 틈이 있기 때문에 가능한 것으로 지금까지 알려져 있었다.
그러나 인듐망가나이트의 경우 다른 강유전체와 달리 이 같은 오비탈이 꽉 차있으면서도 강유전 분극 발현현상이 일어나, 그 메커니즘 규명에 물리학계의 관심이 쏠려 있었다.
포스텍 연구팀은 양자역학적 계산에 의해 인듐 원자의 4d 오비탈에 작은 틈이 있어 이 틈을 통해 분극현상이 일어나 자체적 혼성화가 이루어진다는 사실을 밝혀냈다.
이번 발견으로, 지금까지 ‘꿈의 기억소자’로 불리며 전원이 꺼져도 데이터를 잃어버리지 않는 차세대 메모리 반도체 F램이나 센서 기술 개발에도 새로운 기회를 불러올 것으로 기대된다.
옥민애씨는 지난 2년간 응집물리학의 권위지로 알려져 있는 ‘피지컬 리뷰 B(Physical Review B)’지에 게재된 논문 4편의 연구에 참여하는 한편, 석사과정에서도 최고의 성적을 거두고 오는 2월 졸업을 앞두고 있다.
용어해설:분극현상=양이온과 음이온이 각자 다른 쪽으로 분리되는 현상.
오비탈=모든 물질은 원자로 이루어져 있으며, 원자는 원자핵과 전자로 이루어져 있다. 그 가운데 전자가 있는 전자껍질을 오비탈이라고 부른다. 오비탈은 모양에 따라 s오비탈, p오비탈, d오비탈 등으로 나뉜다.
대구=정재훈기자 jhoon@etnews.co.kr
