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물리학과 첨단기술 MARCH 201 450
그림 1. 전북대학교 강유전체/압전체 연구실 연구원들
(http://oxide.chonbuk.ac.kr).
전북대학교 물리학과
강유전체/압전체 연구실부 상 돈
저자약력
부상돈 교수는 서강대학교 물리학과 이학박사(1998)로서 서울대학교 포스트닥,
미국 Duke University, University of Wisconsin-Madison 연구원, 서울대학
교 연구교수를 거쳐 2003년부터 전북대학교 물리학과 교수로 재직 중이다.
연구실 개요
강유전/압전 특성을 지니는 다양한 금속산화물에서 나타나
는 새로운 물리현상에 대한 발견과 그에 대한 물리적인 이해
와 해석은 차세대 소자 구현을 위한 필수적인 요소이다. 벌크
와 박막 형태의 금속산화물에 관한 연구는 비휘발성 메모리
소자, 변환기 및 센서 등에 적용하기 위해서 오랜 시간 동안
꾸준히 진행되어 왔으나, 최근 모든 전자소자의 고집적화, 소
형화, 고기능화가 요구됨에 따라 나노크기를 갖는 금속산화물
에 대한 제작 및 특성 연구가 가속화되고 있다. 또한, 나노크
기의 금속산화물은 위와 같은 상업적인 분야로의 응용뿐 아니
라 벌크 형태에서 관찰되지 않은 새로운 물리적 현상들에 대
한 발견 가능성으로 인하여 학문적인 측면에서 핵심적인 연구
주제로 대두되고 있다. 본 연구실은 산화물 물성 연구실로 현
재, 박사과정 3명, 석사과정 5명 등 총 11명으로 구성(그림 1)
되어 있으며, 강유전/압전 성질을 갖는 다양한 금속산화물을
후막, 박막 및 나노구조물 등의 형태로 제작하고 그 물질이 갖
는 고유한 물리적 특성을 연구함으로써 새로운 물리적 현상의
발견과 실생활에 응용 가능한 물리적 기반을 제시하는 것을
목표로 하고 있다. 이에 따라 본 연구실에서는 1. 강유전체 나
노구조물 제작 및 물성 연구 (고집적 비휘발성 메모리 응용),
2. 고온 진동센싱용 비납계 압전 신물질 연구 (원자로 안전진단
센서 응용), 3. 나노 복합재료의 제작 및 특성 연구 (CNT 그리
고 PZT 복합구조를 이용한 유연 나노 발전소자 및 축전 소자
연구), 4. 다공성 양극산화 알루미나 (나노 구조물 제작 시 사
용하기 위한 주형틀 응용 및 나노구조 알루미나 자체의 발광
특성 분석 연구) 등의 크게 4가지의 주제를 가지고 연구를 진
행하고 있다.
주요 연구 분야
1. 강유전체 나노 구조물 제작 및 물성 연구
강유전체는 특정 온도 영역에서 자발분극이 존재하고, 외부
전기장에 의해 분극이 반전될 수 있는 물질을 가리키는데, 이
들은 압전성, 초전성 등의 특성을 가지고 있어서 전자산업에서
의 흥미로운 소재로 각광받고 있다. 이러한 강유전체는 나노
(10-9 m) 크기가 됨에 따라 벌크 강유전체에서는 발견되지 못
했던 새로운 물리적 성질이 예측되고 있어 많은 주목을 받고
있다. 본 연구진은 (1) 강유전체 나노튜브/나노선 강유전성 조
사 및 분석, (2) 나노튜브의 벽 두께 변화에 따른 상전이 온도
변화, (3) sol-gel 방법을 이용한 나노튜브/나노선 제작과정에
서의 sol-gel 용액의 pyrolysis 온도 변화에 따른 나노튜브/나
노선의 결정성 변화, (4) 나노튜브/나노선에서의 Pb의 부족현
상 및 해결 방안 제시, (5) 이론적으로 제시된 나노크기의 결
정에서 toroidal domain 존재의 실험적 검증 등의 주제에 대
해 연구하고 있다. 연구에 사용되는 강유전체 나노튜브/나노선
은 실험실에서 직접 제작한 Pb(Zr,Ti)O3 (PZT), PbTiO3 (PTO)
등의 졸-겔 용액을 나노 크기의 기공을 가지는 다공성의 양극
산화 알루미나에 스핀코팅한 후 고온의 열처리 과정을 거쳐
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(a) (b) (c)그림 2. (a) 높은 정렬도를 갖는 PZT 나노튜브 배열 이미지. (b) 100 kHz 조건에서 측정된 P-E 이력곡선 (출처: Kim et al., Nano Letters 8, 1813 (2008)).
(c) PZT 나노튜브 배열의 저온에서의 paramagnetism 특성 (출처: Bu et al., Journal of the Korean Physical Society 60, 1097 (2012)).
제작된다. 그림 2(a)는 본 연구실에서 제작한 우수한 양질의
강유전체 나노튜브 어레이 이미지이며, 그림 2(b)는 제작된 나
노튜브에 존재하는 자발분극이 외부 전기장에 의해서 반전될
수 있음을 보여주는 강유전 이력곡선이다. 100 kHz의 고진동
수에서 Sawyer-Tower 회로와 오실로스코프를 이용하여 강유
전 이력곡선을 측정한 결과 논란의 여지가 전혀 없는 아주 뚜
렷한 강유전 이력곡선을 측정할 수 있었다. 이러한 결과는 1
제곱센티미터 당 최대 1012개의 메모리 셀을 구현할 수 있다
는 가능성을 제시한 우수한 결과라 할 수 있다.
또한 강유전체 나노튜브는 간단한 형태의 나노선에 비해 벽
두께라는 추가적인 변수를 가지고 있으며, 다른 나노구조물에
서 발견되지 않는 새로운 현상을 예측할 수 있는데, 대표적인
것이 벽두께 감소에 따른 상전이 온도의 강화이다. 나노선이나
나노닷의 경우 그 사이즈가 줄어듦에 따라 상전이 온도 및 강
유전성은 점차적으로 감소하는 것이 이론적으로, 실험적으로
검증이 되어 있는 사실이다. 그러나 나노튜브의 경우 벽 두께
가 특정 임계 두께에 이르면 역으로 상전이 온도 및 강유전성
이 강화될 수도 있다는 이론적 결과가 보고되어 있는 상태이
다. 본 연구진은 이러한 특성을 실험적으로 확인하기 위해 졸-
겔 용액의 농도, 코팅 횟수 등을 조절하여 나노튜브의 벽 두께
를 미세하게 조절하는데 성공하였고, 현재 고온 XRD 및 라만
을 사용하여 상전이 온도 변화에 대한 연구를 진행하고 있다.
이와 함께 나노구조물의 강유전성에 영향을 줄 수 있는 요
소 중의 하나로, 나노튜브/나노선 내의 알갱이의 결정성에 따
른 영향에 대한 연구를 진행하고 있다. 나노튜브/나노선 제작
과정 중 pyrolysis 온도를 조절함으로써 결정 알갱이의 단위세
포의 tetragonality를 조절하고 있다. 잘 알려진 바와 같이, 강
유전체 연구에서 pyrolysis 과정은 시료 제작에 불필요한 organic
관련 물질들을 제거하고 최종적인 페로브스카이트 형성에 필요
한 이차상인 파이로클로르 형성에 중요한 역할을 하는 것으로
알려져 있다. 특히 이 과정에서의 온도는 박막 제작의 경우 결
정 알갱이의 방향성을 조절하는데 중요한 역할을 하는 것으로
알려져 있다. 본 연구진은 나노튜브/나노선 제작 과정에서의
pyrolysis 온도가 시료의 구조적 특성 변화에 미치는 영향을
살펴보았으며, 그 결과 나노튜브 내의 결정의 크기와 유닛셀의
찌그러진 정도를 나타내는 tetragonality(c/a) 값이 pyrolysis의
온도에 따라 크게 변화하는 것을 확인하였다. 또한, 위와 같은
실험 결과를 토대로 pyrolysis 온도에 의해 조절된 tetragonality
값이 강유전체 나노튜브/나노선의 광학적, 강유전성 등의 특성
에 미치는 영향에 대한 연구를 진행 중에 있다.
최근에 이론적으로만 제시되어 왔던 나노크기의 결정에서의
toroidal domain 존재가 강자성체와 다강체 시료에서 실험적
으로 검증되어 학계에서 많은 관심을 받고 있다. 하지만 강유
전체 시료의 경우, 많은 연구그룹들의 부단한 노력에도 불구하
고, 아직까지 toroidal domain 존재에 대한 명확한 실험적 근
거가 제시되어 있지 않은 상황이다. 이론 연구의 결과로, Naumov
등이 2004년에 Nature 저널에 (출처: Naumov et al., Nature
432, 737 (2004)) 새로운 모델을 제시하는 등 이론적인 측면
에서는 많은 진전이 있었으나, 실험적 측면에서는 진전이 미미
한 상태이다. 본 연구진은 강유전체 나노튜브의 자화율을 저온
영역에서 측정함으로써 toroidal domain에 의한 상전이 현상
에 대한 간접적인 증거들을 제시한 바 있다 (그림 2(c)). 국제학
계에서도 그 존재의 명확한 증명을 위해서는 여러 가지 연구
가 더 이루어져야 한다고 얘기하고 있다. 본 연구진은 단결정
구조의 강유전체 나노닷, 나노디스크, 나노선, 나노튜브 등의
나노구조물을 제작한 후, 그 시료들에 대한 구조적 및 전기적
특성을 조사함으로써, 강유전 시료에서의 toroidal domain 존
재를 실험적으로 증명하고자 한다. 실험 연구 방법으로는, pie-
zoresponse force microscopy(PFM) 그리고 high-angle annular
dark field detector(HAADF)를 갖춘 scanning transmission
E (kV/cm)
물리학과 첨단기술 MARCH 201 452
그림 3. (a) 현재까지 보고된 압전 물질들이 가지는 Tc 및 압전 계수 그래프.
(b) 방사선 조사량에 따른 압전 물질의 전기적 특성 감소 그래프.
electron microscopy(STEM) 방법 등을 사용하고 있다.
2. 고온 진동센싱용 비납계 압전 신물질 연구
압전 재료는 기계적 신호와 전기적 신호 사이의 결합으로
이루어지기 때문에 기계적 시스템과 전기적 시스템 간의 에너
지 변환자로서의 응용이 가능하다. 이러한 압전 재료의 응용은
전압 발생기, 초음파 변환기, 가전 및 기타 여러 산업 분야에
다양하게 적용되고 있으며, 산업분야에서는 측정을 위한 압전
소자로서 가속도계, 압력계, 비파괴 검사용 초음파 탐촉자, 유
량계 등으로 매우 다양하게 응용되고 있다. 또한 원자력 발전
소에서도 경수로 진동을 감지하는 센서로 활용이 되고 있다.
사실 현대 생활에서 에너지 수요가 급격히 증가함에 따라 원
전의 건설이 적극적으로 추진되고 있으며, 원전 시설의 증가
및 기존 시설의 노후화에 따른 원전 설비의 안전성 관리 기술
의 중요성이 부각되고 있다. 최근 일본 후쿠시마 원전사고에서
도 알 수 있듯이 원자력 발전은 무한한 에너지원인 동시에 안
전장치 및 진단기술 미비에 따른 사고 발생 시, 방사선 누출로
인한 큰 피해를 초래하기 때문에 엄격한 안전성 강화와 철두
철미한 사전 관리가 요구된다. 이를 위해 원전에서 사용되는
모든 전자소자의 정확한 작동은 필수 요소이며, 고온 및 고방
사선 등의 극한 환경에서의 오작동을 줄 수 있는 원인 분석
및 예방에 대한 연구는 반드시 수반되어야 한다.
하지만, 원전 내의 극한 환경, 즉 고온 및 고 방사선 환경을
고려할 때, 현재 사용되고 있는 압전물질들은 원자로 내부의 안
전장치 진단 센서로 사용에 있어서 한계점을 드러내고 있다. 특
히 방사선 조사에 의한 압전센서 시료의 특성 감소가 문제점으
로 지적되고 있다. 원자력발전소 1차계통에는 핵연료의 핵분열
시 발생하는 방사선이 존재하는 지역(방사선 총조사량: 1 MGy
이상)이며, 일반 센서를 사용할 경우 방사선효과에 의한 센서
취화현상에 의하여 일정한 감도유지 및 장기간 사용이 불가능
하므로 높은 내방사선 특성을 갖는 물질의 개발 연구가 필요하
다. 본 연구실에서는 페로브스카이트 결정 구조를 가진 물질 중
에서도 상전이온도(Tc)가 비교적 높은 것으로 알려진 물질 (예,
BiScO3-PbTiO3, BiFeO3-PbTiO3 등), tungsten-bronze 계열 물
질 (예, (Ba,Pb)Nb2O6, (Sr,Ba)Nb2O6 등), bismuth-layer 구조
물질 (예, Bi4Ti3O12, SrBi4Ti4O12 등), corundum 구조 물질 (예,
LiNbO3, LiTaO3 등), KNN-type 물질 (예, (K0.5Na0.5)NbO3,
(K0.5Na0.5)NbO3-LiNbO3 (6%) 등)에서의 doping 원소 조절, 도
메인 구조 조절 등의 방법을 이용해서 Tc 제어 및 압전 계수
향상 연구를 진행하고 있다. 그림 3(a)와 (b)는 각각 현재까지
보고된 압전 물질이 가지는 Tc에 따른 압전 계수를 나타내는
그래프와 방사선 조사량에 따른 압전 물질의 전기적 특성 감소
량을 보여주는 그래프로, 본 연구실에서 개발하고 있는 신물질
탐색의 개념을 나타낸다. 본 연구에 의해 개발된 압전 신물질을
활용하여 원자로에 근접하여 원전 구조물의 진동 및 충격파의
변화와 구조 및 배관의 누설을 직접 계측하기 위한 신뢰성, 정
밀도, 정확도를 향상시킨 고감도 진동 센서의 제작을 목표로 하
고 있다.
3. 나노 복합재료의 제작 및 특성 연구
본 연구진은 강유전체 물질의 유전특성을 강화하고, 유연-에
너지발전소자로서 응용하기 위하여 강유전체 물질과 나노 크기
의 전도성 물질인 탄소나노튜브로 이루어진 나노 복합물질의
제작을 시도하고 있다. 탄소나노튜브는 높은 전도도를 가지고
있어서 강유전체 결정들 사이의 전도도를 높여 유전특성이 강
화될 것으로 기대되고 있다. 이를 연구하기 위해 강유전체 그
리고 탄소나노튜브가 혼합된 복합재료를 박막형태로 제작하고
있다. 특히 복합 박막 내부에 들어가는 탄소나노튜브 비율에
따른 유전특성의 변화를 조사하고 있다. 이와 같은 특성을 연
구하기 위해서는 고온에서 강유전체를 결정화하는 동시에 탄소
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그림 4. (a) PZT 그리고 탄소나노튜브로 구성된 박막 형태의 복합재료의 AFM 이미지. (b) 나노 복합재료
에서 탄소나노튜브의 비율 증가에 따른 유전상수 변화 그래프. (c) 탄소나노튜브 위에 성장된 PZT 나노 입
자의 이미지. (d) PZT 나노 입자를 볼 수 있는 확대된 이미지.
나노튜브의 산화를 최소화하는 특화된 실험 조건을 찾아야 한
다. 본 연구실에서는 다양한 열처리 온도와 시간, 분위기 등을
조절하여 강유전체가 결정화되고 탄소나노튜브가 존재하는 적
절한 조건을 찾는데 성공하였으며, 그 결과로 그림 4(a)의
Atomic Force Microscopy (AFM) 이미지를 얻을 수 있었다.
이를 바탕으로 다중벽 탄소나노튜브의 비율에 따른 나노 복합
재료의 유전상수 변화를 관찰하였는데, 혼합 비율이 강유전체
의 유전상수 특성에 많은 영향을 준다는 사실을 알 수 있었다
(그림 4(b)). 그 밖에도 본 연구실에서는 이러한 탄소나노튜브
의 첨가에 따른 전기전도도, 저항의 변화, 누설전류 등을 측정
하고, Maxwell-Wagner-Sillars 모델 그리고 mini-capacitor 모
델을 이용해서 분석 중에 있다.
최근 압전체 물질의 압전 성질을 이용한 에너지 수확에 대
한 연구의 관심도가 높아짐에 본 연구실에서는 강유전체 물질
과 탄소나노튜브가 혼합된 복합재료를 활용한 나노발전기 개발
연구를 진행하고 있다. 현재까지 에너지 수확에 주로 쓰이는
방식은 폴리머에 강유전체 나노구조물을 섞어 외부 진동에 의
해 발생된 전기적 에너지를 수확하는 것이었다. 본 연구실에서
는 PZT 나노 입자를 다중벽 탄소나노튜브 표면 위에 직접 성
장시킨 시료(그림 4(c), (d))를 가지고 소자를 제작함으로써 기
존과는 다른 새로운 형태의 나노 발전소자를 제작하고 있으며,
소자 밴딩에 의해 발전되는 에너지를 측정 중에 있다. 이러한
나노 발전소자의 경우 탄소나노튜브 밴딩
에 의해 PZT 나노 입자에 생기는 strain
으로 인해 높은 전기적 에너지와 발전 효
율을 보일 것으로 예상하고 있다. 또한,
탄소나노튜브에 성장되어지는 PZT 나노
입자 크기 및 농도 조절 또는 입자 결정
방향 조절 연구 등을 통해 발전되는 전기
적 에너지의 크기를 극대화하는 연구를
진행 중에 있다.
4. 다공성 양극산화 알루미나
다공성 양극산화 알루미나(porous ano-
dic alumina: PAA)는 산성 수용액에서 전
기분해 과정을 통해 제작되며, 전기분해
과정 중에 양()극으로 사용된 고순도 알
루미늄 판 표면이 산화되면서 형성되는
나노 크기의 기공을 갖는 산화층을 말한
다. 이러한 PAA에 관한 연구는 1953년
Keller 연구팀에 의해 처음 보고된 이후에
PAA가 가지는 독특한 구조적 특성으로
인해 다양한 분야로의 응용 가능성을 가
지고 있기 때문에 현재까지도 많은 연구가 진행 중이다. PAA
가 가지는 구조적 특성 (기공의 크기, 기공간 거리, 기공 종횡
비, 기공 정렬도 등)은 양극산화 조건 (전해질 산성 수용액의
종류, 양극산화 전압, 양극산화 온도)을 다르게 함으로서 쉽게
조절 가능하기 때문에 다양한 구조를 갖는 PAA 제작이 용이하
다. 최근에 나노크기의 소재 연구 분야의 관심도가 높아짐에
따라 이러한 PAA를 주형틀로 이용하여 다양한 형태의 새로운
나노구조물 제작에 대한 연구가 활발히 진행 중이다. 또한, 고
온 열처리를 통해 결정화된 PAA는 높은 열적, 화학적 안정성
을 보이기 때문에 다양한 필터 (정수용 필터, 가스 필터 등) 소
재로 응용 가능할 뿐 아니라, 옥살산에서 제작된 PAA의 경우
강한 발광 특성을 보이기 때문에 바이오 바코드 등의 광학 소
재로서의 응용 가능성을 가진다. 이와 관련하여 본 연구실은
다음의 세 가지 주제를 가지고 PAA와 관련된 연구를 진행하고
있다.
첫 번째는 PAA를 나노구조 금속산화물 제작용 주형틀로 사
용하기 위한 연구이다. PAA가 나노구조물 제작에서 주형틀로
사용되기 위해서는 두께, 기공 크기 및 기공간 거리 등의 구조
적 특성이 아주 중요한 변수로 작용하기 때문에, 효과적인
PAA의 형태 제어를 위하여 본 연구실에서는 전해질 종류, 전
압, 온도, 시간 등의 다양한 양극산화 조건을 조절하여 실험을
진행하였다. 그 결과 현재 PAA의 기공간 거리는 40 nm에서
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그림 5. (a) 양극산화 전압에 따른 다공성 양극산화 알루미나의 기공 간 거리 변화. (b) 다공성 양극산화 알
루미나 표면 SEM 사진. (c) 알루미나 나노선 형성 과정 SEM 사진. (d) 알루미나 멤브레인 열처리 온도에
따른 발광 특성.
470 nm까지 범위에서 제어가 가능하고, 기공의 직경은 10
nm에서 450 nm까지 제어가 가능하며, 최소 두께 50 nm 정
도를 갖는 초 박막 PAA까지 성공적으로 제작하고 있다 (그림
5(a), (b)).
두 번째는 PAA를 다양한 필터 소재로 사용하기 위한 연구
이다. 기공이 규칙적으로 잘 정렬된 PAA를 화학적으로 식각
처리함으로써 배열된 알루미나 나노선의 제작이 가능하다 (그림
5(c)). 이와 같은 알루미나 나노선은 정수필터 소자로 대단히
유용한 소재이다. 본 연구진에서는 그 응용 가능성을 탐색하고
있다.
세 번째는 PAA에서 관찰되는 고유 특성에 관한 연구이다.
옥살산을 전해질로 이용해서 제작된 PAA의 경우 강한 푸른색
발광(luminescence) 특성을 보인다. 이러한 발광 특성의 원인
으로 산소의 빈자리에 갇힌 전자 또는 양극산화 과정 중에 알
루미나층에 형성된 카복실레이트(COO-)에 의한 영향 등이 제
시되고 있으나, 현재까지 그 원인이 명확하게 구분되어 있지
않고 있다. 이와 관련하여, 본 연구실에서는 PAA의 발광 원인
을 분석하고 제어하는 연구를 진행 중에
있다. 또한 다양한 색상의 발광 특성을 보
이는 PAA를 제작하기 위한 연구를 진행
하고 있다. 이를 위하여 다양한 전해질을
이용하여 제작된 PAA를 다양한 온도와
가스 분위기에서 열처리한 다음 그 특성
변화를 조사하고 있다 (그림 5(d)). 본 연
구 결과를 통해서 양극산화 과정을 통한
PAA 제작 시에 불순물을 제어함으로써
발광 특성을 제어할 수 있음을 제시하고
자 한다.
향후 전망
강유전체, 압전체 물질 연구의 가장 핵
심 주제는 소자의 고집적화, 고성능화에
적용하기 위한 나노 크기에서의 물질 특
성에 대한 탐구이다. 지금까지 알려진 많
은 강유전체, 압전체 물질들은 거시적 규
모에서 미미하게 나타나는 물리화학적 효
과들이 나노 규모로 제작되었을 때 극대
화되어 나타나는 경우가 최근 연구에서
많이 알려졌다. 그런데, 이러한 나노 물질에서의 물리화학적
효과들을 분석하기 위한 연구는 이론 연구에 의해서 주로 이
루어지고 있으며 그를 뒷받침할 수 있는 실험 연구는 많이 부
족한 상황이다. 본 연구실에서는 강유전체 나노 구조물의 제작
과 특성 분석 연구, 다공성 양극산화 알루미나의 물리적 특성
분석 연구 등의 실험 연구를 통하여 나노 크기의 산화물에서
나타나는 새로운 현상에 대해 계속적으로 탐구해 나갈 것이다.
또한 진동센싱용 비납계 압전 신물질 그리고 나노 복합재료
연구를 통하여 압전 소자 에너지 발전 특성 향상을 위한 실험
연구를 지속적으로 진행할 것이다. 특히, 극한환경 (예를 들면,
우주압전소자)에 적용이 가능한 압전소자용 신물질 탐색에 주
력하고자 한다. 이러한 연구를 바탕으로 본 연구실은 창의적인
연구 과제를 지속적으로 발굴하고, 국내외 연구진들과의 공동
연구를 통해 도전적인 연구를 수행할 수 있을 것으로 전망한
다. 이러한 노력들이 쌓여서 본 연구실뿐만 아니라 국내의 강
유전, 압전체 관련 기술력이 세계적인 수준으로 도약할 것으로
기대한다.
