10억 번 반복 사용해도 고장 없는 ‘스위칭 소재’ 개발

 

 

 

▲ 서울대-포스텍 공동 연구진이 열화현상이 발생하지 않는 전기 스위칭 소재를 새롭게 개발했다. 신개념 반도체, 로봇 등 정밀 기계부품의 회로 구성 등에 두루 쓰일 것으로 기대된다. (사진=전승민/Gemini 2.0)

 

가정에서 전기제품의 ‘스위치’가 고장 나 난처했던 경험이 있는 사람이 적지 않을 것이다. 반복된 사용으로 접점 부위 금속 소재가 열화(소재의 화학적 및 물리적 성질이 나빠지는 현상)된 경우가 대부분이다. 이런 일은 복잡한 반도체 회로나 정밀 기계 부품 속에서도 일어난다. 필요에 따라 1초에도 수천~수만 번 이상 전기 신호를 열고 닫는 작업을 반복해야 하기 때문이다.

 

국내 연구진이 10억 번 이상 반복된 스위칭에도 열화 현상이 발생하지 않는 새로운 소재 기술을 개발했다. 한국연구재단은 손준우 서울대 교수, 최시영 포항공과대(포스텍) 교수 공동 연구진이 ‘전류 스위칭 시 부피 변화 없는 절연체-금속 상전이 박막 형성 소재 기술’을 개발하고, 이를 통해 ‘열화 없는 고속 스위칭 지능형 반도체 응용 전략’을 제안했다고 7일 밝혔다.

 

연구진은 특정 전압에 다다르면 소재 특성이 절연체에서 금속으로 바뀌며 전기 전도도가 급격히 증가하는 ‘상전이 현상’을 이용했다. 즉 평소엔 전기가 흐르지않다가, 전압을 걸어 주면 그 때부터 전기가 흐르는 물질로 바뀌는 특수 물질로 ‘스위치’를 만든 것이다. 연구팀이 주목한 소재는 ‘바나듐 산화물 반도체’. 저전력 광전자 소자 및 뉴로모픽 신소자를 위한 차세대 소재로 주목받고 있다.

 

그러나 급격한 전기적 상전이 현상이 반복되면 결정구조 및 부피 변화가 동시에 발생하면서 소자의 내구성에 치명적인 문제가 생길 수 있어 이를 해결해야 했다. 연구팀은 바나듐 산화물 상전이 신소재(이하 VO₂)에 타이타늄(이하 Ti) 이온을 섞어 넣어 규칙적 결정구조의 질서를 교란, 상전이 시 발생하는 부피 변화를 성공적으로 제거하는데 성공했다.

 

이렇게 만든 VO₂는 상전이 현상이 일어나는 도중에도 부피 변화 값(격자 상수)이 변화하지 않았다. 이 소재를 잔자현미경으로 분석해 본 결과, 마치 급속도로 냉각된 얼음이나 유리와 같은 ‘등구조(isostructural)’를 나타냈다. 연구진은 이번에 알아낸 구조적 특성이 향후 다양한 무응력(zero-strain) 상전이 제품군을 개발하는데 중요한 요인이 될 것으로 보고 있다.

 

연구진은 이렇게 개발한 소재를 이용해 실제 스위칭 부품을 제작해 성능을 검증했다. 그 결과 나노초(10억 분의 1초) 이하의 빠른 상전이 스위칭 속도와 10억 번 이상의 반복 스위칭 이후에도 열화되지 않는 특성을 보였다. 이번 성과를 상용화 할 경우 내구성이 높은 상전이 기반 반도체 소재를 구현할 수 있을 것으로 기대된다.

 

손준우 교수는 “박막 도핑 및 원자 제어 기술을 통해서 상전이 박막 스위칭 특성을 제어할 수 있는 신공정법을 제시했다”며 “이를 통해 기존보다 빠르고, 수많은 반복 구동에도 열화되지 않는 스위칭 소자를 구현할 수 있다는 점에서 추후 상전이 기반 신소재의 지능형 반도체 및 광소자 응용 가능성을 높였다”고 설명했다.

 

이번 연구 성과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 2024년 11월 27일에 게재됐다. 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 ‘원천기술국제협력개발사업’과 ‘중견연구사업’의 지원을 받았다.

 

전승민 기자 enhanced@irobotnews.com

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