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원자힘 현미경(AFM) 탐침으로 금속 산화물 박막의 강탄성 도메인 및 결정 방향을 제어하는 모습을 나타낸 모식도. 포스텍 제공.

단순한 기계적 압력만으로 전자기기 소재의 구조와 성질을 정밀하게 조절할 수 있는 기술이 개발됐다. 스마트폰, 컴퓨터, 전기차 등 첨단 전자기기 성능을 향상시키는 데 도움이 될 것으로 기대된다. 

포스텍은 이대수 물리학과 교수 연구팀이 복잡한 장비 없이 간단한 기계적 압력만으로 금속 산화물 소재의 내부 구조와 자석 성질을 정밀하게 조절하는 기술을 개발하고 연구 결과를 국제학술지 ‘네이처 나노테크놀로지‘에 게재했다고 10일 밝혔다. 

금속 산화물은 첨단 전자기기 소재로 널리 쓰인다. 금속 산화물 내부에 있는 미세 결정들이 어떻게 배열되느냐에 따라 전기 흐름, 자석 성질, 발광 등의 성질이 변화한다. 

금속 산화물 내 결정 구조는 대부분 여러 방향으로 뒤섞여 있어 원하는 성질을 구현하려면 고온의 열을 가하거나 강한 전기 자극을 가하는 등 복잡하고 비용이 많이 드는 공정을 거쳐야 한다. 

연구팀은 간단한 방법으로 원하는 방향의 금속 산화물 성질을 구현했다. 원자힘 현미경(AFM)의 뾰족한 탐침으로 금속 산화물 표면을 살짝 눌러주는 것으로 결정을 가지런히 정렬했다. AFM은 원자 간 힘을 측정해 나노미터 수준의 해상도로 표면 구조를 관찰하고 조작할 수 있는 고정밀 현미경이다.

AFM 탐침으로 표면에 미세한 압력을 가하면 복잡하게 얽힌 결정들이 한 방향으로 정렬됐다. 원하는 부분을 원래로 되돌리는 조절도 가능했다. 연구팀은 탐침을 이용해 스트론튬 루테네이트, 란타넘-스트론튬 망가나이트 등 두 종류의 특수 금속 산화물 박막 내부에 있는 결정들을 정밀하게 제어하는 데 성공했다. 

연구팀은 AFM 탐침으로 특정 부위에 원하는 자성 패턴을 새기는 데도 성공했다. 금속 산화물 결정 배열이 바뀌면 정보를 저장하거나 신호를 전달하는 자성 성질이 달라진다는 것이다. 

연구팀은 나아가 소재 내부 깊은 층까지 구조를 정밀하게 조절해 여러 층이 서로 다른 성질을 가지는 입체적인 3차원 결정 구조를 구현하는 데도 성공했다. 소재 내부의 결정 구조와 성질을 정밀하게 제어할 수 있는 가능성을 연 것이다. 

연구팀의 기술을 응용하면 속도가 빠르고 에너지 효율이 높은 메모리나 센서, 전자스핀을 이용해 정보를 저장·처리하는 스핀트로닉스 소자 등 차세대 전자부품을 개발할 수 있을 것으로 보았다.

이대수 교수는 “단순한 기계적 힘만으로 결정 구조와 자성을 동시에 제어하는 데 성공했다”며"이번 성과가 차세대 전자소자 및 스핀트로닉스 기술 연구에 혁신적인 전환점을 될 것”이라고 말했다. 

<참고 자료> 
doi.org/10.1038/s41565-025-01950-z

[문세영 기자 moon09@donga.com]

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