장현명 교수팀, 다강체 산화물의 강유전성 발현과 그 수수께끼 풀어내

전기적인 성질(강유전성*1)과 자기적인 성질(자성)을 동시에 가지며, 이 성질을 이용하면 하드디스크와 작은 크기에도 대용량 데이터를 저장할 수 있는 D램의 성질을 모두 갖춘 차세대 비휘발성 메모리로도 만들어 낼 수 있는 ‘다강체’의 성질과 수수께끼에 쌓였던 강유전성이 생기는 이유를 국내연구진이 밝혀냈다. 이 연구성과는 재료화학 분야 권위지의 표지논문에 선정될 정도로 학계의 관심이 높다.

POSTECH 첨단재료과학부 통합과정 송승우․장현명 교수팀(첨단재료과학부 및 신소재공학과)은다강체 산화물인 LuMno3에서 강유전성이 발현되는 원인과 이에 관련된 수수께끼를 제1원리 시뮬레이션을 통해 풀어냈다. 지금까지 다강체가 강유전성과 자성을 동시에 가지는 이유에 대해서는 많은연구가 진행되어 왔으나 분명한 해법은 제시하지 못했다.

연구팀은 구조적 극성이 생성되는 온도(~1560℃)와 전기적 극성이 생성되는 온도(~1020℃)가 큰차이를 보인다는 사실에 착안하여, 전기적 극성이 나타나지 않은 상태에서 극성이 나타날 때, 영향을미치는 원자의 이동을 분석하고, 이 때 전기적 극성이 원자의 대칭적․비대칭적 이동의 짝이룸(coupling)으로 인해 일어난다는 사실을 밝혀내었다.

1560℃에서 이뤄지는 구조적 극성 발현은 대칭적 원자이동이 영향을 끼쳐 전기적 극성은 나타나지 않지만, 1020℃에서는 비대칭적 원자이동과 대칭적 원자이동이 짝을 이뤄 일어나는 상태로 바뀌기 때문에 전기적 극성이 나타난다는 것이 연구팀의 결론이다.

연구팀은 또, 이 연구결과는 육방정형*2 망간 산화물에서 공통적으로 일어나는 현상으로 육방정형 상온 다강체 뿐만 아니라 강유전체 메모리 소자(통칭 F램) 개발에 영향을 미칠 것으로 예상된다.

이 연구성과는 제23회 유전체 물성 심포지엄 및 제15회 강유전체 소재․소자 워크숍에서 최우수발표상을 수상했을 뿐 아니라 영국 왕립 화학회에서 발간하는 재료화학분야 권위지 ‘저널오브머터리얼스케미스트리씨 (Journal of Materials Chemistry C)’ 최신호 표지논문으로 선정되는 등 학계에서관심을 모으고 있다.

한편, 이 연구는 한국연구재단 일반연구자지원사업과 KISTI HPC 응용 연구 지원 프로그램의 지원아래 수행됐다.

1. 강유전성(ferroelectricity)

자발적인 전기편극을 가지고 그 자발적 편극이 전기장에 의해 방향을 반전할 수 있는 결정. 어떤 전압 이상을 가하면 자발 분극이 반전해 전압을 제거해도 그 상태를 유지하는 성질이 있다.

2. 육방정형(hexagonal system)

밑면이 정육각형을 이루는 육각기둥구조의 결정계. 주로 아연과 마그네슘 등의 금속에 많다.