“새로운 원소를 더하지 않고도 원자를 쌓는 순서만 바꿔 재료의 원래 장점은 살리면서 새로운 기능을 더할 수 있음을 입증했다.” 포스텍 연구팀이 원자층 배열을 정밀하게 설계해 차세대 반도체 소재의 새 길을 열었다.
과학기술정보통신부는 이대수·이길호·최시영 포항공과대학교 물리학과 교수와 박세영 숭실대 교수 공동 연구팀이 원자를 쌓는 순서를 바꿔 금속과 초박막 절연재료에 새로운 기능을 구현하는 데 성공했다고 2일 밝혔다. 연구 결과는 과학기술 분야 세계 3대 학술지 가운데 하나인 ‘사이언스(Science)’에 2일(현지시간 1일 오후 2시, EDT) 게재됐다.
쌓는 순서만 바꿨더니
물질은 원자 종류와 원자층 배열에 따라 특성이 결정된다. 문제는 금속이 전기가 잘 흐르는 성질을 유지하면서 원자가 한쪽으로 치우쳐 배열되는 ‘극성’을 함께 갖기가 어렵다는 점이었다. 얇은 절연막도 얇아질수록 전기가 새어 나가 두께와 절연 성능을 동시에 잡기 어려웠다.
연구팀은 재료 성분 자체를 바꾸는 대신 접근을 틀었다. 원자층마다 특정 원자의 비율을 두께 방향으로 조금씩 변화시키는 ‘선택적 원자 기울기(Selective Atomic Gradient)’ 설계 전략을 썼다. 한쪽에는 큰 원자를, 반대쪽으로 갈수록 작은 원자를 배치하자 재료 내부 구조가 위치에 따라 점진적으로 변했고, 이 과정에서 원자가 한 방향으로 미세하게 이동하며 내부에 극성이 형성됐다.
결과는 눈에 띈다. 전기가 잘 흐르는 (Sr,Ca)IrO₃ 박막에 적용하자 금속성은 유지하면서도 전류 방향에 따라 저항이 달라졌고, 원자층 순서를 반대로 하면 그 방향도 함께 뒤집혔다. 약 5.1㎚ 두께의 (Ba,Ca)TiO₃ 초박막에서는 새는 전류가 크게 줄면서 에너지 저장 능력은 높게 유지됐고, 작은 온도 변화를 전기 신호로 바꾸는 성능은 비슷한 두께의 비교 박막보다 약 100배 높게 나타났다.
기초연구가 소재 설계로
연구를 총괄한 이대수 교수는 “앞으로 이 방법을 자성체와 초전도체 등 더 다양한 물질로 확장하고, 초박막 절연막과 열 센서 등 실제 소자로 구현하는 후속 연구를 진행할 계획”이라고 밝혔다. 김성수 과기정통부 연구개발정책실장은 “물질의 근본 성질을 탐구하는 기초연구가 소재 설계의 새로운 해법으로 이어질 수 있음을 보여준 사례”라며 기초연구 지원을 이어가겠다고 말했다.
업계에서는 이번 성과가 반도체 미세화의 벽을 넘는 실마리로 받아들여진다. 회로가 작아질수록 절연막은 더 얇아져야 하는데, 얇아지면 전기가 새는 문제가 발목을 잡아 왔기 때문이다. 저항 방향을 제조 단계에서 정할 수 있다는 점도 눈여겨볼 대목이다. 방향성 전자소자와 스핀트로닉스, 열·적외선 센서 같은 새 소자로 이어질 가능성이 열려 있어서다.
이번 성과는 소재 경쟁의 무게추가 ‘무엇을 넣느냐’에서 ‘어떻게 쌓느냐’로 옮겨가고 있다는 신호로 읽혀요. 희귀 원소를 더 넣는 방식은 한계와 비용에 부딪히기 쉬운데, 배열 설계는 이미 가진 재료로 새 기능을 뽑아낼 여지를 넓혀 주거든요. 다만 논문 성과가 실제 반도체 양산 라인에 얹히기까지는 공정 재현성과 수율이라는 관문이 남아 있어요. 자성체와 초전도체로 연구를 넓히는 후속 결과가 나올 때, 이 기술이 실험실을 넘어설지 판가름이 날 전망이에요.
- 원문: 지디넷코리아 — 원자층 재배열, 차세대 반도체용 초박 절연막 제조 길 열었다
- 보조 출처: 연합뉴스 — ‘같은 원자’ 쌓는 순서만 바꿨더니…재료 한계 넘었다
- 작성: sw4u 9시뉴스 안나영 / 2026-10-02 09:03