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[IT뉴스]원자 쌓는 순서 바꾸니 새 물성 생겼다

온카뱅크관리자

2026-10-02 10:37:26

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 <img alt="바륨(Ba) 원자와 칼슘(Ca) 원자의 조성을 두께 방향으로 점진적 변화시킨 선택적 원자 기울기 모식도(왼쪽). 현미경으로 확인한 실제 조성 기울기(오른쪽)와 형성된 극성의 크기와 방향(노란색 화살표). 원자층의 크기 조성 배열을 이용해 재료 내부의 극성과 방향을 제어한 것이다. 이대수 교수 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202610/02/dongascience/20261002102703273uill.png" data-org-width="680" dmcf-mid="Fm30vcu5LL" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img2.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202610/02/dongascience/20261002102703273uill.png" width="658">
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 바륨(Ba) 원자와 칼슘(Ca) 원자의 조성을 두께 방향으로 점진적 변화시킨 선택적 원자 기울기 모식도(왼쪽). 현미경으로 확인한 실제 조성 기울기(오른쪽)와 형성된 극성의 크기와 방향(노란색 화살표). 원자층의 크기 조성 배열을 이용해 재료 내부의 극성과 방향을 제어한 것이다. 이대수 교수 제공
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 국내 연구팀이 소재의 기존 장점을 훼손하지 않고 새로운 물성을 추가하는 첨단 소재 설계법을 구현했다. 전체 원자 구성 비율을 바꾸는 대신 원자들의 크기 조성이 층마다 연속적으로 변하도록 비대칭으로 배열해 원하는 물성을 추가로 부여하는 데 처음 성공한 것이다.
 이번 성과는 전류가 한쪽 방향으로 흐를 때는 저항이 0인 초전도체 상태로, 반대 방향으로 흐를 때는 일반 금속 상태가 되는 '초전도 금속 다이오드' 소자처럼 기존 반도체 기반 전자소자의 한계를 뛰어넘을 기반 기술로 평가된다.
 과학기술정보통신부는 이대수·이길호·최시영 포스텍 교수팀과 박세영 숭실대 교수 공동연구팀이 원자의 종류와 전체 양은 그대로 두고 쌓는 순서만 바꿔 소재에 새로운 성질을 더하는 방법을 제시했다고 2일 밝혔다. 연구결과는 1일(현지시간) 국제학술지 '사이언스'에 공개됐다.
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 <img alt="원자 증착과 실시간 관측을 기반으로 원자층 단위로 성장을 제어하며 박막을 합성하는 과정. 이대수 교수 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202610/02/dongascience/20261002102704567urnc.png" data-org-width="680" dmcf-mid="3aHxzGe4nn" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img4.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202610/02/dongascience/20261002102704567urnc.png" width="658">
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 원자 증착과 실시간 관측을 기반으로 원자층 단위로 성장을 제어하며 박막을 합성하는 과정. 이대수 교수 제공
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 ● 원자 쌓는 순서 조절해 '극성' 추가
 소재에 새로운 물성을 추가하려면 없던 원소를 추가하거나 기존 원소의 비율을 바꾸는 것이 일반적인 방법이다. 이 과정에서 원래 소재의 장점이 약해지거나 사라지기 쉽다. 
 특히 소재에서 양전하(+)와 음전하(-)의 중심이 서로 어긋나 부분마다 전기적 치우침과 방향성이 생기는 '극성'은 빛, 온도, 압력 등 외부 자극과 전기적 반응을 연결해 다양한 기능을 구현할 수 있는 토대가 된다. 극성은 금속성·자성·초전도성 등 다른 전자적 물성과는 하나의 물질 내에서 공존하기 어렵다. 각 물성에 유리한 구조가 달라 상충하기 때문이다.
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 <img alt="극성이 있는 소재로 구현할 수 있는 다양한 기능. 이대수 교수 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202610/02/dongascience/20261002102705820zvuw.png" data-org-width="680" dmcf-mid="prVri2OciJ" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img2.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202610/02/dongascience/20261002102705820zvuw.png" width="658">
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 극성이 있는 소재로 구현할 수 있는 다양한 기능. 이대수 교수 제공
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 연구팀은 결정 구조에서 특정 자리에 있는 원자의 비율을 층마다 조금씩 변화시키며 쌓는 '선택적 원자 기울기' 설계 전략으로 전자적 물성을 유지하면서 극성을 더하는 방법을 고안했다.
 먼저 두 종류의 금속 원자가 포함된 페로브스카이트 산화물의 결정 구조에 주목했다. 정육면체 단위의 결정 격자 구조에서 꼭짓점인 'A 자리'에 있는 금속 원자는 주로 격자의 크기를 결정하고 중심부인 'B 자리'는 전자의 이동 등 전자적 물성을 결정한다.
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 <img alt="페로브스카이트 산화물 결정에서 자리에 따른 금속 원자의 역할. 이대수 교수 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202610/02/dongascience/20261002102707095fdkw.png" data-org-width="680" dmcf-mid="9bLHmn5TR8" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img1.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202610/02/dongascience/20261002102707095fdkw.png" width="658">
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 페로브스카이트 산화물 결정에서 자리에 따른 금속 원자의 역할. 이대수 교수 제공
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 맨 아래층의 경우 A 자리에 작은 원자를 많이 넣고 위로 갈수록 큰 원자를 늘리는 식으로 A 자리 원자의 크기 조성 비율을 층마다 다른 비율로 쌓으면 박막 내부에서 늘어나는 부분과 압축되는 부분의 차이가 생긴다. 큰 원자 비율이 높은 층은 줄어들고 작은 원자 비율이 높은 층은 늘어나는 모양새다.
 연구팀은 원자 단위 분석을 통해 A 자리 원자의 크기 기울기가 구현되면 B 자리의 원자가 한쪽으로 미세하며 쏠리며 재료 내부에 극성 구조가 형성된다는 사실을 확인했다. 같은 종류와 양의 원자를 균일하게 섞은 재료에서는 극성이 나타나지 않았다.
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 <img alt="변전 효과와 페로브스카이트 산화물 결정에서 A 자리에 있는 원자 크기 변화 기울기 따른 극성 유도 원리. 이대수 교수 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202610/02/dongascience/20261002102708364glxv.png" data-org-width="680" dmcf-mid="QVhVFl8BJB" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img2.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202610/02/dongascience/20261002102708364glxv.png" width="658">
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 변전 효과와 페로브스카이트 산화물 결정에서 A 자리에 있는 원자 크기 변화 기울기 따른 극성 유도 원리. 이대수 교수 제공
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 설계법을 금속 박막에 적용한 결과 전기가 잘 흐르는 기존 금속의 성질을 유지하면서도 전류를 흘리는 방향에 따라 저항이 다르게 나타났다. 원자층 배열 순서를 뒤집으면 저항 차이의 방향도 반대로 바뀐다. 제작 단계에서 재료의 전기적 방향성을 조절할 수 있다는 뜻이다.
 5.1나노미터(nm, 1nm는 10억분의 1m) 두께의 초박막 절연체에 적용하자 누설전류가 다른 박막 대비 1000~1만배 억제되는 것으로 나타났다. 온도 변화를 전기 신호로 바꾸는 성능은 비슷한 두께의 다른 박막보다 약 100배 높았다. 마찬가지로 원자층 배열 순서를 뒤집으면 전기 신호 방향도 반전됐다.
 이대수 교수는 "강한 극성을 의도적으로 유도하고 검증한 선택적 원자 기울기 전략은 세계 최초로 설계·보고한 것"이라며 "원자층 배열도 재료 설계 핵심 변수임을 실험적·이론적으로 제시한 연구"라고 밝혔다.
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 <img alt="왼쪽부터 이대수 포스텍 물리학과 교수, 이길호 교수, 최시영 신소재공학과 교수, 박세영 숭실대 물리학과 교수. 과학기술정보통신부 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202610/02/dongascience/20261002102709898pzpg.png" data-org-width="680" dmcf-mid="xxg1Ca3GRq" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img3.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202610/02/dongascience/20261002102709898pzpg.png" width="658">
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 왼쪽부터 이대수 포스텍 물리학과 교수, 이길호 교수, 최시영 신소재공학과 교수, 박세영 숭실대 물리학과 교수. 과학기술정보통신부 제공
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 ● 차세대 소자 응용 기대…대량 생산도 용이
 전류를 한 방향으로 유도하는 소자인 다이오드는 보통 반도체를 이용하기 때문에 금속보다 저항이 높아 전류가 흐를 때 열과 에너지 손실이 생긴다. 원자 기울기를 기반으로 저항이 작은 금속 상태를 유지하면서 전류의 방향을 제어하는 금속 다이오드 소자 등장 가능성도 제시됐다.
 초전도체에 원자 기울기를 적용하면 한 방향에서는 초전도 상태, 반대 방향에서는 일반 금속 상태가 돼 방향에 따른 전류 세기 비율이 반도체보다 훨씬 더 큰 초전도 다이오드까지 만들 수 있다는 설명이다. 원자 기울기 전략이 페로브스카이트 산화물 외에 다른 물질에도 충분히 적용될 수 있다는 가능성도 제시됐다.
 이대수 교수는 "이번 연구는 약 6년이 걸렸고 물질을 합성하며 노하우를 확보하는 단계가 굉장히 어려웠다"고 돌아봤다. 이어 "향상된 물성을 측정하고 검증하는 과정만 1년 이상 걸렸다"고 설명했다.
 원자 기울기 설계가 적용된 첨단 재의 대량 생산 및 상용화에 큰 허들은 없을 것이라는 평가다. 이대수 교수는 "가설이 검증됐고 노하우가 쌓인 만큼 아이디어를 다른 증착법에 적용하는 것은 상대적으로 쉬운 편"이라며 "소자화, 대면적 박막화하는 데 큰 어려움이 없을 것으로 생각한다"고 전망했다.
 &lt;참고 자료&gt; - doi.org/10.1126/science.adv0235
 [이병구 기자 2bottle9@donga.com]
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