이산화바나듐 활용해 순수 전기적 상전이 구현
이산화바나듐 활용해 순수 전기적 상전이 구현
  • 엄재성 기자
  • 승인 2018.12.05 19:33
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SCIENCE 게재, 구조변화 없이 전기적 변화만을 보이는 물질 최초 구현

과학기술정보통신부(장관 유영민)는 성균관대학교 이재찬 교수, 위스콘신-매디슨 주립대 엄창범 교수 연구팀이 결정구조 변화를 동반하지 않고 순수 전기적 상전이를 보이는 물질을 개발했다고 밝혔다.

상전이(Phase transition)란 물질이 온도, 압력, 외부 자기장 등 일정한 외적 조건에 따라 한 상(phase)에서 다른 상으로 바뀌는 현상이다.

이 연구는 세계 최고 수준의 국제학술지 사이언스(Science) 11월 30일 자에 게재되었다.

서로 다른 상전이 온도를 가지는 이산화 바나듐 이종 구조의 모식도. (사진=한국연구재단)
서로 다른 상전이 온도를 가지는 이산화 바나듐 이종 구조의 모식도. (사진=한국연구재단)

강상관계 물질은 전자들 간의 상호작용이 커서, 일반적인 도체나 반도체와 다른 독특한 특성이 있다. 특히 전기가 잘 통하는 금속 상태에서 잘 통하지 않는 절연체 상태로 변화(금속-절연체 전이) 할 수 있어 주목된다. 이를 이용하면 기존 반도체 소자처럼 여러 물질을 접합하지 않고 단일 물질만으로도 전원을 켜고 끄는 디지털 특성을 보유할 수 있다.

그러나 금속-절연체 전이 도중 전기적 특성 뿐만 아니라 결정구조 변화도 동시에 발생하는 것으로 알려져 있다. 구조가 변화하면 전이 속도가 제한되기 때문에 고속으로 작동되는 소자로의 응용에는 한계가 있어 왔다.

연구진은 실험연구와 계산과학 연구를 통해 대표적인 강상관계 물질인 이산화바나듐(VO2)의 금속-절연체 상전에서 결정구조적인 변화와 전기적 변화를 분리하는 데 성공했고, 오직 전기적 변화만 일어나는 금속-절연체 상전이 물질을 세계 최초로 개발했다.

이재찬 교수는 “이 연구의 접근법은 강상관계 물질에 일반적으로 적용할 수 있을 것으로 예상된다. 전기적 변화만을 이용하게 되어 반도체 트랜지스터보다 많은 전류를 빠르게 흐르게 하는 모트트랜지스터나 펨토 초(10-15초) 단위의 전자 스위치 등 신규 소자로 응용될 수 있을 것으로 기대한다.”라고 연구의 의의를 설명했다.

이 연구 성과는 과학기술정보통신부 기초연구지원사업(개인연구)과 한국과학기술정보연구원의 슈퍼컴퓨터지원사업으로 수행되었다. 


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