박세영 교수 공동연구팀, 원자층 배열 조절로 금속·절연체에 새로운 기능 구현

국제 학술지 「사이언스」 게재…금속의 극성 구현 및 초박막 절연재료 성능 향상

<(왼쪽부터) 물리학과 박세영 교수와 P. 카루나 쿠마리(P. Karuna Kumari) 박사>

물리학과 박세영 교수와 본교 우주물질연구소 연구원 P. 카루나 쿠마리(P. Karuna Kumari) 박사가 포항공과대학교(POSTECH) 물리학과 이대수·이길호·최시영 교수와 공동으로 수행한 연구가 세계적 학술지 「사이언스(Science)」에 10월 2일 게재됐다.

공동연구팀은 같은 종류와 같은 양의 원자를 사용하면서 원자층의 배열 순서를 조절해, 재료 본래의 장점을 유지하면서 새로운 기능을 부여하는 소재 설계법을 개발했다. 박세영 교수는 공동교신저자로서 제일원리 밀도 범함수 이론을 활용해 원자 기울기에 따른 극성 형성 원리를 이론적으로 분석하며 연구 성과 도출에 기여했다.

그동안 소재에 새로운 기능을 부여하기 위해서는 새로운 원소를 첨가하거나 원소 간 비율을 조절하는 방법이 주로 활용됐다. 그러나 이 과정에서 재료가 본래 지닌 장점이 약화하거나 소실될 수 있었다. 특히 전기가 잘 흐르는 금속은 자유전자가 내부 전기장을 가려 원자 배열에 극성을 구현하기 어렵다는 한계가 있었다. 반도체에 쓰이는 초박막 절연재료 역시 두께가 얇아질수록 전기가 새어 나가, 얇은 두께와 높은 절연 성능을 동시에 확보하기 어려웠다.

<원자 기울기에 의한 변전 효과로 나타나는 극성 효과의 개념도>

연구팀은 페로브스카이트 산화물(ABO3)에서 전자적 성질을 좌우하는 B자리 원자는 그대로 두고, 격자 크기를 결정하는 A자리 원자의 비율을 두께 방향으로 원자층마다 조금씩 바꾸는 ‘선택적 원자 기울기(Selective Atomic Gradient)’ 설계법을 고안했다. 색이 서서히 바뀌는 그라데이션처럼 크기가 다른 원자의 비율을 층마다 달리하면 재료 내부에 변형의 기울기가 형성된다. 이에 따라 변전 효과로 원자들이 한쪽으로 미세하게 치우치면서 극성이 형성된다. 원자층의 배열 순서를 뒤집으면 극성의 방향도 반대로 바뀌었다. 반면 같은 원자를 균일하게 섞은 재료에서는 이러한 방향성이 나타나지 않았다.

<선택적 원자 기울기를 통한 극성 구현 모식도>

연구팀이 이 설계법을 금속인 (Sr,Ca)IrO3 박막에 적용한 결과, 금속성을 유지하면서 전류가 흐르는 방향에 따라 저항이 달라지는 비대칭 전기 수송 특성이 나타났다. 원자층의 배열 순서를 바꾸자 저항 차이의 방향도 반전됐다. 이를 통해 제작 단계에서 금속의 전기적 방향성을 조절할 수 있음을 확인했다.

또한 원자 기울기를 (Ba,Ca)TiO3 초박막 절연재료에 적용한 결과, 높은 유전 성능을 유지하면서 누설전류를 크게 줄였다. 온도 변화를 전기 신호로 바꾸는 성능을 나타내는 초전 계수는 비슷한 두께의 대표적 비교 박막보다 약 100배 높은 값을 기록했다.

<선택적 원자 기울기를 활용한 새로운 기능 구현 및 기존 성능 향상>

이번 연구는 특정 신소재 하나를 발견한 것이 아니라, 소재 설계에 새로운 접근법을 제시했다는 데 의미가 있다. 원자층의 배열 순서를 조절해 소재의 기능을 구현하고, 성질이 정반대인 금속과 절연체에서도 같은 원리가 작동함을 확인했다. 이를 통해 다양한 기능성 소재로 확장할 수 있는 보편적 설계 원리를 제시했다. 이번 연구 성과는 전류 방향에 따라 다르게 작동하는 전자소자와 스핀트로닉스, 차세대 반도체용 초박막 절연막, 적외선·열 센서 및 에너지 하베스팅 기술 등에 활용될 것으로 기대된다.

박세영 교수는 “산화물 박막 성장에 ‘원자 기울기’라는 새로운 설계 방향을 제시하고, 이를 통해 물질에 새로운 기능을 부여할 수 있음을 이론과 실험의 공동연구로 입증했다”며 “앞으로 원자 기울기를 다양한 물성 제어에 적용하는 연구로 확장해 나갈 계획”이라고 말했다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 우수신진연구사업과 본교 우주물질연구소·기초과학융합연구소가 수행하는 교육부·한국연구재단 ‘이공분야 대학중점연구소 지원사업’, 본교 AI바이오융합연구소가 수행하는 교육부·한국연구재단 대학기초연구소지원사업(G-LAMP)의 지원을 받아 수행됐다.

논문명: Synergistic polar states by selective atomic gradients, Science 394, 107 (2026)

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