전기화학 스위칭 소자의 동작 속도 ‘조절 가능한’ 신소재 원천기술 개발
  • 이예진기자
전기화학 스위칭 소자의 동작 속도 ‘조절 가능한’ 신소재 원천기술 개발
  • 이예진기자
  • 승인 2020.03.09
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손준우 포스텍 교수팀 개가
손준우<사진> 포스텍 신소재공학과 교수 연구팀이 고체기반 전기화학 스위칭 소자의 동작 속도를 조절하는 신소재 원천기술을 개발했다.

전기화학 스위칭 소자는 전해질과 함께 도입된 이온의 산화환원 상태를 조절했을 때 전기, 광학, 기계적 특성의 변화를 일으키는 소자다.

소자에 가하는 전압에 따라 투과도 및 변형률 조절이 가능해 스마트 윈도우 및 엑추에이터로의 응용이 가능하다.

문제는 얼마나 빨리 이온이 이동하느냐가 관건인데 포스텍 연구팀이 이온 ‘고속도로’를 뚫어 수소를 빠르게 전달하는 방안을 제시했다.

연구팀은 기판과 스위칭 소재(VO₂)의 격자 대칭성을 조절해 수직으로 잘 배열된 면결함(도메인 경계)을 인위적으로 형성했다.

육각 대칭 산화알루미늄(Al₂O₃) 기판 위에 단사정계 VO₂박막을 성장시키면 도메인 경계가 자발적으로 나노미터(nm)의 일정한 간격을 가지고 정렬하게 된다.

이를 통해서 수소 이온이 격자를 통해 확산·반응하는 것보다 매우 국소적인 도메인 경계를 통해서 확산·반응하는 것이 더 효율적임을 실험으로 관찰했다.

또 도메인 경계를 통한 확산계수와 계면 교환 계수가 약 수십만배 증가하는 것을 분석해 면결함이 수소 이동을 위한 ‘고속도로’의 역할을 함을 처음으로 입증했다.

이와 같은 기본 원리를 바탕으로 도메인 경계가 포함된 소자의 경우 전압에 의해 VO₂기반 전기화학 트랜지스터가 빨리 동작함을 검증했다.

이로써 기존 이온 이동을 바탕으로 하는 전기화학 스위칭 소자의 동작 속도에 관한 단점을 획기적으로 개선할 수 있을 것으로 기대된다.

손준우 교수는 “이 연구는 기초과학 측면에서는 가역적인 이온이 소재 격자 내부의 면결함에 주입되는 기작에 관한 근본적인 통찰을 했다는 점에서 의의를 찾을 수 있다”며 “이번 연구를 통해 얻어진 소재 원천기술을 이용할 경우 이온 이동을 바탕으로 하는 센서, 엑추에이터, 전기변색 스마트 윈도우, 뉴로모픽 소자와 같은 응용 기술의 동작 속도를 높일 수 있다”고 설명했다.

한편 이번 연구는 삼성전자미래기술육성센터, 미래창조과학부 기초연구사업, 글로벌프론티어사업, 산업통상자원부 산업기술혁신사업의 지원으로 수행됐으며 연구성과는 재료과학분야의 저명 학술지 ACS Nano에 게재됐다.




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