국내 연구진이 강유전성을 가진 바륨 티타네이트(BaTiO₃) 나노입자로 다층박막을 구현하는 데 성공했다.
강유전성이란 ‘자발적인 전기분극을 가지며 전기장에 의해 분극의 방향이 반전될 수 있는 특성’이다. 강유전성을 가진 바륨 티타네이트를 다층박막으로 제조하면 메모리, 압전소자, 열전소자 등 다양한 분야에 응용할 수 있다. 그러나 바륨 티타네이트는 가공성이 낮아 초박막으로 만들기가 어려웠다.
미래창조과학부는 고려대 화공생명공학과 조진한 교수 실험실의 김영훈 박사과정과 국경윤 석사과정 연구원이 직경 10나노미터(㎚) 미만의 바륨 티타네이트 나노입자로 다층박막을 만드는 데 성공했다고 8일 밝혔다.
연구팀은 상온에서 바륨 티타네이트 나노입자 표면의 티타늄 이온과 아민그룹(암모니아의 수소원자를 탄화수소기로 치환한 형태의 화합물)을 가진 고분자 간 흡착을 이용해 다층박막을 만들었다.
연구팀은 나아가 바륨 티타네이트 나노입자 다층박막을 이용해 차세대 비휘발성 메모리 소자인 ‘비휘발성 저항 변환 메모리 소자’를 구현할 가능성을 확인했다.
비휘발성 저항 변환 메모리 소자는 전압에 따라 저항이 변하는 특성을 ‘읽기’와 ‘쓰기’ 신호로 이용하는 메모리 소자. 기존 플래시 메모리보다 구동 속도가 빠르고 낮은 전압으로도 작동할 수 있어 차세대 비휘발성 메모리 소자로 꼽힌다.
바륨 티타네이트 나노입자 다층박막은 2V 이하의 상대적으로 낮은 전압에서 10³의 온/오프(On/Off) 전류비를 나타내는 등 전형적인 비휘발성 저항 변환 메모리 소자의 특성을 보였다.
연구팀은 “박막의 두께를 조절하면 원하는 강유전성과 비휘발성 메모리 소자 성능을 갖는 전기적 소자로 적용할 수 있다”고 설명했다.
연구팀은 또 “이번 연구 결과는 강유전 특성이 있는 다양한 ‘페로브스카이트’(perovskite) 나노입자 기반의 다기능성 메모리 소자뿐 아니라 에너지 하베스팅 압전소자, 세라믹 커패시터 등 전기적 소자의 제작·개발에 초석을 제공할 것”이라고 기대했다.
바륨 티타네이트는 페로브스카이트의 일종이다. 페로브스카이트란 이온반경이 큰 희토류 등 원소, 원자반경이 작은 전이금속, 산소이온으로 구성된 8면체 물질로 강유전성·초전성·압전성·저항 변환 특성을 지니고 있어 쓰임새가 다양한 재료로 주목받고 있다.
미래부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업(도약) 등의 지원을 받아 수행된 이번 연구의 결과는 나노재료 분야 국제학술지인 ‘ACS 나노’ 최신호(3월25일자)에 게재됐다.