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. 

    ※ 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)

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 상전이 현상의 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. 

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.