신소재공학부 이재찬 교수와 위스콘신-매디슨 주립대 엄창범 교수 공동연구팀이 결정구조변화를 동반하지 않고 순수 전기적 상전이를 보이는 물질을 개발했다고 밝혔다.

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

강상관계 물질(설명 참조)은 금속성질과 절연체성질 사이에 변화되는 현상(금속-절연체 상전이)을 보일 수 있고, 이러한 금속-절연체 전이 현상은 금속상태와 절연상태사이의 매우 큰 변화로 전자소자로의 응용 가능성이 매우 크다. 하지만 금속-절연체 전이 현상은 결정구조변화도 동시에 일어나는 것으로 알려져 많은 연구가 진행되었으나 상전이 현상의 주요 원인이 아직도 규명되지 않고 있으며 구조변화로 인해 소자 응용시 스위칭 속도도 제한되어 고속으로 작동되는 소자로의 응용에 한계가 있어 왔다. 

* 강상관계 물질 (strongly correlated electron materials): 전자들 간의 상호작용이 큰 물질
* 금속-절연성 전이 (metal-insulator transition): 어떤 물질의 상태가, 외부 자극에 의해서 전기를 잘 통하는 상태 (금속 상태)와 안 통하는 상태 (절연체 상태) 사이에서 변하는 현상

본 연구진은 실험연구와 계산과학 연구를 통해 강상관계 물질의 대표적인 물질인 VO2 산화물에서 금속-절연체 상전이에서 발생되는 결정구조적인 변화와 전기적 변화를 분리하는데 성공하여 전기적 변화만을 갖는 금속-절연체 상전이를 발견하게 되었다. (그림)

이재찬 교수는 “이번 연구의 접근법은 강상관계 물질에 일반적으로 적용시킬 수 있는 방법이므로, 이종 구조 공학을 통해 다양하고 독특한 물성이 설계 될 수 있으며, 더 나아가 모트 트랜지스터나 펨토 초 단위의 전자 스위치 등의 신규 소자로 응용될 수 있을 것으로 기대한다”라고 연구의 의의를 설명했다.

* 이종 구조 (heterostructure): 두 가지 이상의 상이한 물질들을 접합하여 만든 물질 

이 연구 성과는 과학기술정보통신부 중견연구자 지원사업(도약연구)과 한국과학기술정보연구원 산하 국가슈퍼컴퓨팅센터의 슈퍼컴퓨터지원사업으로 수행되었다.

※ 논문명 : Isostructural metal-insulator transition in VO2
※ 주저자 : 이재찬 교수(공동교신저자, 성균관대), 엄창범 교수(공동교신저자, 위스콘신-매디슨 주립대), 이대수 박사(제1저자, 위스콘신-매디슨 주립대, 現 포항공대)