페로브스카이트 금속산화물의 산소결함구조 규명
페로브스카이트라는 결정구조를 갖는 금속 산화물 단결정 스트론튬타이타늄옥사이드(SrTiO3) 내에 존재하는 산소결함(빈자리)들은 특정한 방향으로 배열되는 집합체를 이루고 이를 통해 금속산화물 내에 존재하는 전자들은 산소결함 집합체에 강하게 포획된다는 것을 규명하여 물리학분야에서 세계 최고 권위지인 피지컬 리뷰 레터즈(Physical Review Letters)에 3월 16일 발표하였다.
산화물에서 산소빈자리는 가장 기본적인 결함으로 산화물의 물리적 성질이 나아가 산화물을 사용한 전자소자의 성능, 신뢰성 결국에는 산업화 성공여부에 커다란 영향을 미치는 결함으로 여겨져 산소빈자리에 대한 연구는 광범위하게 오랫동안 이루어 왔으나 산화물 내의 산소빈자리에 대한 정확한 이해 및 이를 바탕으로 한 물리적 성질의 이해는 이루어 지지 않았다.
동 연구에서는 페로브스카이트 산화물 내의 산소빈자리들은 서로 모여 있는 집합체 형태로 발생되며 이러한 집합체는 티타늄(Ti) 이온을 중심으로 특정한 방향으로 일직선으로 배열되는 특성을 갖고 전자들이 집합체에 강하게 포획된다는 사실을 발견하였다. (그림자료 참조)
이를 통해 그동안 규명되지 않았던 페로브스카이트 산화물의 전기전도 현상 및 광학특성도 이해할 수 있게 되어 향후 산화물 소재의 열화 현상의 제어 혹은 소자의 신뢰성 확보의 가능성을 열어 놓았다. 더욱이 다른 구조를 갖는 금속산화물들에서의 산소결함 구조 및 전기전도 현상에 대한 영향을 이해할 수 있는 전기를 마련하였다.
동 연구의 대상이 된 SrTiO3는 페로브스카이트 구조의 대표적인 물질이며 페로브스카이트 구조를 갖는 금속산화물은 전기를 통하지 않는 절연체 성질로부터 반도체 성질 및 전기를 통하는 금속의 성질뿐만 아니라 초전도 현상을 보여주는 다양한 물리적 성질을 갖고 있어 다양한 분야에 응용되고 있다.
대표적인 예로 고온 초전도 현상을 보이는 Y1Ba2Cu3O7-δ 및 적층세라믹 캐패시터(MLCC)의 재료, 차세대 DRAM 반도체의 고유전율 캐패시터 재료, 차세대비휘발성 메모리재료, 연료전지의 전극재료 등 중요한 분야에 다양하게 응용되는 재료이다.
동 연구를 통해 산소결함을 포함하는 산화물에 대한 이해는 향후 산화물을 사용하는 전자소자의 개발 즉 성능 향상 및 산업화의 가장 걸림돌인 신뢰성 향상에 기여할 것이다.
또한, 우리나라의 주요 성장동력 산업분야로 DRAM 반도체의 경우 고집적화를 위한 소재개발은 메모리 셀 내의 정보저장 역할을 하는 캐패시터용 산화물 소재의 고유 전율화 및 누설전류의 최소화가 가장 큰 관건이다. 즉 캐패시터용 산화물 소재는 고유전율을 가져야 하며 전류가 흐르지 않는 절연성의 산화물 박막이 되어야 한다.
동 연구의 페로브스카이트 산화물의 결함구조 규명에 따른 전기전도특성의 이해는 캐패시터용 산화물 소재 개발에 산화물 절연막의 누설전류를 감소시키기 위한 방향을 제시해줄 것으로 기대된다.
더욱이 DRAM 반도체의 로드맵에 따르면 페로브스카이트 산화물이 고집적화를 위한 차세대 캐패시터용 산화물 절연막 재료로 되어있어 초고집적 DRAM 반도체 개발에서 더욱 중요한 의미가 있다 할 수 있다.
또한, 최근에 이르러 새로운 방식의 차세대 비휘발성 메모리로서 세계적으로 활발하게 연구 및 개발되고 있는 저항 변화형 비휘발성 메모리소자(ReRAM, Resistive Random Access Memory)는 소자 내에 사용되는 산화물의 저항상태가 소자에 가해지는 전압에 따라 저항이 변하는 현상을 이용한 것으로 산화물 소재의 저항 변화 메커니즘의 규명 및 소재 개발에 산화물 내의 산소빈자리 집합체의 전자구조특성은 중요한 단서를 제공할 것이다.
그뿐만 아니라 산화물의 전도특성을 이용하는 연료전지용 고체 전해질 산화물의 개발, 적층세라믹 캐패시터(MLCC)용 고유 전율 산화물재료의 열화 특성의 이해 및 제어에도 중요한 도전의 기회를 제공할 것으로 기대된다.
1. 페로브스카이트 구조
Sr과 Ti 및 산소이온이 1:1:3의 비율로 구성되어 결합된 구조로 정육면체의 모서리에 Sr, 한가운데에 Ti 그리고 정육면체의 면에 산소이온이 배열되어 있으며 (그림에서 완전 결정) 비단 특정 금속원자 Sr과 Ti 만이 아니라 다른 금속원자도 산소이온과 결합하여 위와 같은 배열을 갖는 정육면체 구조를 이룰 때 페로브스카이트 구조라 한다.
2. 피지컬 리뷰 레터즈(Physical Review Letters)
동 저널은 물리학 관련 분야에서 가장 권위있는 학술지로 이미 정평이 나있고 널리 알려져 사이언스지나 네이쳐지와 같이 물리학 관련의 새로운 중요한 결과들이 주로 게재되며 반면 사이언스지나 네이쳐지가 자연과학 전분야에 관한 논문이 게재되나 동저널은 물리학 관련 분야의 좀더 이론적인 논문들이 게재되는 경향이 있다.
연구결과 참고자료
금속산화물이란 금속이 산화되어 금속이온과 산소이온이 특정한 비율로 결합되어 있는 고체물질을 말한다. 예를 들어 동 연구에서 사용된 SrTiO3 산화물에서는 금속 이온 스트론튬(Sr)과 티타늄(Ti) 및 산소이온이 1:1:3의 비율로 구성되어 있으며 반도체에서 널리 사용되는 물질중의 하나인 석영유리는 SiO2의 화학식을 갖고 있게 되어 규소(Si)와 산소가 1:2의 비율로 구성된 산화물이 된다.
그러나 실제로 산화물은 금속과 산소이온이의 비율이 화학식에 따른 정확한 비율을 갖는 것이 이론적으로 거의 불가능하다. 즉 석영유리는 Si와 산소가 정확하게 1:2의 비율로 결합되어 있지 않고 산소이온이 조금 부족하게 되어 석영유리 내에 산소이온이 위치할 자리에 산소이온이 빠진 자리가 발생된다. 이를 산소결함 혹은 산소빈자리라고 한다.
마찬가지로 SrTiO3 산화물 역시 Sr과 Ti 및 산소이온이 1:1:3의 비율이 정확히 유지되지 않고 산화물 내에 산소가 부족하여 산소빈자리가 발생된다. 이와 같은 현상은 완전한 비율을 갖는 산화물이 만들어지는 것이 이론적으로 거의 불가능한 만큼 거의 모든 산화물에서 발생되는 것으로 많은 산화물들이 내부에 산소빈자리를 갖게 된다.
산화물내의 금속이온과 산소이온은 각각 양이온과 음이온이 되는데 화학식에 따른 비율이 정확하게 되면 산화물은 전기적으로 중성을 띠게 된다. 그러나 거의 모든 산화물에서 정확한 비율이 유지되지 않기 때문에 산화물 내에 전기적 중성을 유지하지 못하고 전하를 띠게 되어 산화물 내에 전자를 갖게 된다.
이러한 전자들은 때로는 자유스럽게 산화물 내를 옮겨 다닐 수 있고 혹은 특정한 곳에 묶여 있을 수 있고 혹은 특정한 곳에 묶여 있을 수 있어 이에 따라 산화물의 전기 전도 특성 및 광학특성들이 민감하게 변한다. 고온초전도체로 널리 알려진 Y1Ba2Cu3O7-δ라는 산화물도 고온초전도현상을 보이려면 내부에 산소빈자리(화학식내의 δ가 산소빈자리의 양을 나타냄)를 가져야 하는 것으로 알려져 있다.
또한 전자회로의 기본 수동부품인 적층세라믹 캐패시터(MLCC)의 재료로 사용되는 산화물은 제조공정 혹은 사용환경에 따라 사용되는 성질들이 나빠지는 현상(열화현상이라 불리움)을 갖는데 그 원인으로 산소빈자리에 의한 영향으로 여겨지고 있다.
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