조수연 교수, 재료과학분야 최고권위 학술지 논문 게재
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- 등록일2020.02.20
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자성 제어 가능한 새로운 2차원 물질 합성 성공 … 스핀을 이용한 정보 저장 앞당긴다
화학신소재공학전공 조수연 교수 공동연구팀이 차세대 반도체 소재로 각광받는 2차원 물질의 자성을 보다 쉽게 제어할 수 있는 길을 열었다.
4차 산업혁명을 현실화하는데 중요한 산업인 Information and Communication Technology(ICT) 분야를 선도하기 위해 초저전력, 고집적화, 높은 반응 속도를 가진 차세대 반도체 소재 개발이 중요해지고 있다. 이에 반도체의 주재료인 실리콘을 대체할 나노 소재로서 2차원 물질 개발에 전 세계의 관심이 쏠리고 있는 것이다.
2차원 물질이란 두께가 거의 없이 원자 한 층으로만 이뤄진 물질로, 입자 고유의 특성을 뜻하는 ‘스핀’ 정보를 가진 원자들이 원자 크기만큼 얇은 두께로 평면상에 배열이 되어 있다. 이러한 원자의 스핀은 대부분 무질서하게 배열되어 있어 특정 방향으로 정렬시키기 위해서는 강한 자기장이 필요한데, 자기장을 만들어내는 것이 어렵기 때문에 스핀을 쉽고 빠르게 제어하는 기술을 개발하는 것이 핵심 과제로 꼽힌다.
조수연 교수 연구팀은 2차원 물질에서의 스핀 제어 관련하여 외부 자기장을 사용하는 기존 방법 대신 상대적으로 제어하기 쉬운 전자를 이용하는 새로운 2차원 물질을 합성하는 데 성공했다. ‘바나듐 텔루라이드(Vanadium Ditelluride)’라 불리는 이 물질은 기존 2차원 물질과 전혀 다른 결정 구조를 통해 전하-격자 간의 상호작용이 아닌 스핀(spin), 전하(charge), 격자(lattice) 간의 상호작용을 보이며, 2차원 물질의 특이한 성질로 알려진 다형성(polymorphism)을 발현하는데 중요하게 작용했다.
이러한 물리 현상은 페르미 에너지 근방의 전자 구조의 변화에 민감하게 반응해 ‘전하’는 물론 ‘압력’ 및 ‘인장’ 등과 같은 방법으로도 스핀 제어를 할 수 있는 가능성을 보여주었다. 또한 이 발견은 자기장 대신 간단한 외부 자극으로 물질의 자성, 결정 구조 및 전자 구조를 제어할 수 있어 스핀을 이용한 차세대 전자 소자의 가능성을 열었다고 볼 수 있다.
이번 연구는 한국연구재단의 ‘해외대형연구시설활용 연구지원사업’의 지원을 받아 성균관대, 한국과학기술원과 공동으로 수행했으며, 연구 성과를 담은 논문 「바나듐 텔루라이드의 다형성 스핀, 전하, 격자(Polymorphic Spin, Charge, and Lattice Waves in Vanadium Ditelluride)」은 2월 6일(목) 세계적 학술지 <Advanced Materials> 온라인 판에 게재됐다. 독일에서 1989년 창간된 <Advanced Materials>는 재료과학 분야를 다루는 최고 권위의 학술지로, 2018년 기준 영향력 지수(Impact Factor, IF)는 25.809으로 최상위권 수준이다.
조 교수는 “이번 연구결과는 기존의 2차원 물질에서 보고된 전하 밀도파와는 다른 스핀, 전하, 격자가 서로 긴밀하게 상호 작용에 의한 새로운 물리 현상을 보인 바나듐 텔루라이드 단결정을 합성하여 2차원 물질에서 스핀의 배열이 전하 및 결정 구조에 의해 제어가 가능함을 보였다”며 “이 연구를 통해 다양한 2차원 자성체를 이용한 차세대 스핀 소자의 개발에 큰 혁신을 줄 것으로 기대한다”고 말했다.
조 교수는 2004년 본교 물리학과를 졸업하고 서울대 물리천문학과 석사, 프랑스 파리제11대학(현 파리-싸클레 대학)과 서울대 자연과학대학 간에 체결된 공동 학위제를 통해 양쪽 대학의 이학박사학위를 받았다. 이후 프랑스 생오뱅에 위치한 국립가속기센터 쏠레이(Soleil)와 성균관대 수원캠퍼스 기초과학연구원(IBS) 나노구조물리연구단에서 박사후연구원을 거쳐 2017년부터 본교 차세대기술공학부 화학신소재공학전공 동문교수 1호로 부임했다.
‘우수 여성공학인의 양성을 통한 과학기술의 발전’이라는 시대적 소명 아래 1996년 세계 최초의 여성공과대학을 설립한 본교는 화학 및 소재 학문을 선도하는 최고 수준의 여성 인력 양성을 목표로 2015년 화학신소재공학전공을 신설했다. 화학신소재공학은 물질을 직접 다루고 기초 및 응용 분야를 아우르는 융합학문으로서, 환경공학·컴퓨터공학·전자공학 등 공학 전공들과 연계하여 인류의 당면 과제인 지속 가능한 발전과 녹색기술을 주도하는 학문으로서 역할을 할 것으로 기대된다.