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[IT뉴스]원자는 그대로, 쌓는 순서만 바꿨더니… 금속·절연체에 새 기능 구현

온카뱅크관리자

2026-10-02 03:07:26

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 바륨(Ba)과 칼슘(Ca)의 조성을 두께 방향으로 조금씩 변화시킨 선택적 원자 기울기의 모식도./이대수 포스텍 교수 연구진
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 같은 식재료라도 넣는 순서와 조리법에 따라 맛이 달라지듯, 같은 종류와 양의 원자를 사용하면서도 쌓는 순서에 따라 재료에 새로운 기능을 더할 수 있는 소재 설계법이 개발됐다.
 이대수·이길호·최시영 포스텍 교수와 박세영 숭실대 교수 공동연구진은 원자층마다 조성을 조금씩 다르게 배치하는 방식으로 금속과 초박막 절연재료의 전기적 성질을 조절하는 데 성공했다. 연구 결과는 국제 학술지 ‘사이언스(Science)’에 2일 게재됐다.
 소재에 새로운 기능을 넣을 때는 일반적으로 다른 원소를 첨가하거나 원소의 비율을 바꾸는 방법이 쓰인다. 하지만 이 과정에서 재료가 원래 갖고 있던 성질까지 달라질 수 있다는 한계가 있다.
 연구진은 새로운 원소를 넣는 대신 원자를 쌓는 방식에 주목했다. 재료의 핵심 전자적 성질과 관련된 원자는 유지하고, 크기가 다른 특정 원자의 비율만 두께 방향으로 조금씩 변화시키는 ‘선택적 원자 기울기’ 구조를 만든 것이다.
 색이 서서히 달라지는 그라데이션처럼 원자 조성이 층마다 달라지면 원자들이 한쪽 방향으로 미세하게 치우친다. 이 때문에 재료 내부에 전기적인 방향성인 ‘극성’이 생긴다. 실제로 원자층을 쌓는 순서를 반대로 바꾸자 극성의 방향도 함께 뒤집혔다.
 금속 박막에 이 구조를 적용하자 전기가 잘 흐르는 금속의 기본 성질은 유지하면서, 전류를 어느 방향으로 흘리느냐에 따라 저항이 달라지는 현상이 나타났다. 원자층의 배열을 반대로 하면 저항 차이가 나타나는 방향 역시 반전됐다.
 약 5.1㎚(나노미터·10억분의 1m) 두께의 초박막 절연재료에서도 변화가 확인됐다. 절연체에서 원치 않는 방향으로 새는 누설전류는 크게 줄었지만 전기 에너지를 저장하는 성능은 높은 수준을 유지했다.
 또 온도 변화를 전기 신호로 바꾸는 성능은 비슷한 두께의 비교 박막보다 약 100배 높게 나타났다. 원자 배열을 뒤집으면 온도 변화로 생기는 전기 신호의 방향도 반대로 바뀌었다.
 연구진은 이번 방식이 전류 방향에 따라 다르게 작동하는 전자소자와 반도체용 초박막 절연막, 적외선·열 센서 등에 활용될 가능성이 있다고 보고 있다.
 이대수 교수는 “새로운 원소를 추가하지 않고도 원자를 배치하는 순서를 이용해 재료의 기존 성질을 유지하면서 새로운 기능을 구현할 수 있다는 점을 확인했다”며 “앞으로 자성체와 초전도체 등 다른 물질로도 적용 범위를 넓힐 계획”이라고 말했다.
 참고 자료
 Science(2026), DOI: <a href="https://doi.org/10.1126/science.adv0235" rel="" target="_blank" title="https://doi.org/10.1126/science.adv0235">https://doi.org/10.1126/science.adv0235</a>
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