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2016. 2. 29. 06:00 대덕밸리과학소식/KAIST

얼마 전 미국에서 군용 투명망토를 개발해 화제가 됐습니다.

시연 장면을 보면 투명망토를 뒤집어 쓴 저격수가 주변의 배경색과 흡사해 멀리서 볼 때 찾기가 쉽지 않았는데요.


미군이 도입한 투명망토 시연 그래픽 / 출처=KBS미군이 도입한 투명망토 시연 그래픽 / 출처=KBS


개인위장은 물론 크기에 따라 전차, 레이더 등의 장비 위장도 가능해 전술적 가치가 높을 전망입니다.

하지만 이 투명망토에도 치명적 단점이 있는데요. 바로 전력이 있어야만 투명 상태가 유지된다는 것입니다.

메타물질

투명망토가 실현 가능한 이유는 투명 기능의 근본 소재인 메타물질 때문입니다. 


투명망토의 소재인 메타물질의 작동 원리 / 출처=YTN투명망토의 소재인 메타물질의 작동 원리 / 출처=YTN


메타물질은 자연에서 발견되지 않는 특이한 광학적 성질을 얻기 위해 인위적으로 설계된 물질인데요.

이는 빛의 파장보다 짧은 구조물로 구성돼 투명망토나 고해상도 렌즈 제작에 활용되고 있습니다. 

그런데 메타물질의 변조된 광학적 특성을 유지하기 위해선 지속적인 자극, 즉, 전력이 공급돼야 하는데요. 전력이 소모되면 투명 상태도 사라지는 치명적인 약점을 갖고 있습니다.

메모리 메타물질

이를 극복할 수 있는 방법은 전력 공급이 멈춘 후에도 변조된 메타물질의 상태가 유지되는 것인데요. 이를 실현하는 소재를 메모리 메타물질이라고 합니다.

현재 세계적으로 연구가 진행되는 메모리 메타물질은 열적 자극에 의해 광특성이 조절되는 바나듐산화물 계열과 강한 광학적 자극에 의해 조절되는 저메늄-안티몬-텔루륨 등이 대표적인데요. 

바나듐산화물 기반 메모리 메타물질의 경우 상변화 온도가 60℃ 내외이기 때문에 고온 또는 열적으로 고립된 환경에서만 메모리 특성이 유지되고, 상온에서는 20분 정도만 가능합니다. 

KAIST가 개발한 상온 메모리 메타물질

KAIST 기계공학과 민범기 교수팀이 메타물질의 광학적 특성을 기억할 수 있는 메모리 메타물질과 이를 응용한 논리연산 메타물질을 개발했습니다.


메모리 메타물질의 구조도. 전극 배열(TTE), 강유전체, 그래핀, 메타원자, 폴리이미드 기판으로 구성되어 있고, k 방향으로 입사하는 빛의 전기장 (E)은 전극 배열과 수직임메모리 메타물질의 구조도. 전극 배열(TTE), 강유전체, 그래핀, 메타원자, 폴리이미드 기판으로 구성되어 있고, k 방향으로 입사하는 빛의 전기장 (E)은 전극 배열과 수직임


기존 보고된 메모리 메타물질은 고온에서만 기억되거나 부피가 큰 광학적 장치에 의해서만 동작 가능해 현실적 응용에 한계를 보였는데요.

연구팀은 메타물질에 그래핀과 강유전체 고분자를 접목시키는 방법을 개발해 이를 극복했습니다.

연구팀이 사용한 강유전체 고분자는 탄소를 중심으로 불소와 수소가 결합한 분자인데요. 이는 외부 전압의 극성에 따라 회전하는 성질을 갖게 됩니다.

이 강유전체 고분자는 상온에서도 안정적으로 변화 상태를 유지할 수 있고요 그래핀과 접촉돼 메모리 성능이 개선된 것이 특징입니다.


강유전체에 의해 그래핀에 비휘발적 도핑이 되는 모식도. 전기 음성도가 작은 수소(H)와 전기음성도가 큰 불소(F)로 이루어진 영구 쌍극자가 인가하는 전압 극성에 따라 정렬함.강유전체에 의해 그래핀에 비휘발적 도핑이 되는 모식도. 전기 음성도가 작은 수소(H)와 전기음성도가 큰 불소(F)로 이루어진 영구 쌍극자가 인가하는 전압 극성에 따라 정렬함.


또 초박형 상태로 제작할 수 있어 천과 같은 모양을 만들 수 있고요.

무엇보다 다중 상태의 기억이 가능하고, 빛의 편광 상태도 기억할 수 있는 것으로 연구결과 증명됐습니다.

KAIST가 개발한 논리연산 메타물질

연구팀은 메모리 메타물질의 원리를 응용해 논리 연산이 가능한 논리연산 메타물질도 함꼐 개발했습니다. 

이 논리연산 메타물질은 단일 입력에 의해서만 변조 가능했던 기존 메타물질의 단점을 해결한 것인데요.

그래핀으로 두 개의 강유전체 층과 샌드위치 구조를 가진 메타물질을 제작하고, 두 전기적 입력의 논리연산 결과가 광학적 특성으로 출력되게 만든 구조를 활용했습니다.

이를 통해 다중 입력에 의한 조절이 가능해져 메타물질의 특성을 다양하게 변화시키거나 조절할 수 있는 방법론을 제시했습니다.


투과도의 다중상태 (00, 01, 10, 11)의 메모리 특성투과도의 다중상태 (00, 01, 10, 11)의 메모리 특성


이번 연구는 메모리 메타물질을 통해 저전력으로 구동 가능한 초박형 광학 소자 발전에 큰 역할을 할 것으로 기대됩니다.

한편 이번 연구에는 KAIST 기계공학과 김우영 박사와 김튼튼 박사, 김현돈 박사과정이 1저자로 참여했고요. 연구결과는 과학전문지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 2016년 1월 27일자 온라인 판에 게재됐습니다. 

(논문명 : Graphene-ferroelectric metadevices for nonvolatile memory and reconfigurable logic-gate operation)


 용 어 설 명


그래핀(graphene)

탄소의 동소체 중 하나이며 탄소 원자들이 모여 2차원 평면을 이루고 있는 구조로써, 각 탄소 원자들은 육각형의 격자를 이루며 육각형의 꼭짓점에 탄소 원자가 위치하고 있는 벌집구조 모양이다. 원자 1개의 두께로 이루어진 얇은 막으로, 두께는 0.2 (1㎚는 10억 분의 1m)로 엄청나게 얇으면서 물리적·화학적 안정성도 높다. 


강유전체(ferroelectric)

외부에서 인가되는 전기장에 의해 영구 쌍극자가 정렬하여 물질의 표면에 전하를 가질 수 있는 물질. 외부 전기장이 제거되면 정렬된 영구 쌍극자가 그 상태를 유지하는데, 양의 전하일 때와 음의 전하일 때 표면 전하의 극성이 다르므로 이를 디지털 신호의 0과 1에 대응하여 메모리 소자로 이용 가능함. 


메타물질(metamaterial)

자연계에 존재하지 않는 특성을 얻기 위해 빛의 파장보다 작은 인공 구조물들의 집합체. 예를들어, 300㎛ 파장의 빛에 대해서 수십 의 인공적으로 제작한 구조체들의 배열로 이루어진 경우, 300 파장에 대해서 메타물질로 동작할 수 있음. 인공 구조물의 모양, 배열, 크기에 따라 음굴절, 고굴절, 0굴절 물질 구현이 가능하며 고 해상도 렌즈 및 투명망토에 응용가능함.


메모리 메타물질(memory metamaterial)

메타물질은 외부에서 인가되는 기계적, 전기 및 자기적, 열적, 광학적 자극에 의해 광학적 특성이 변조가능한데, 일시적인 외부 자극에 의해 변조된 광학적 특성이 외부 자극을 제거시켜도 변조된 특성이 계속 유지되는 메타물질. 변조된 특성을 지속적으로 얻기 위해 지속적인 외부 자극을 인가해야할 경우, 에너지 소모가 크고, 전원 장치와 항상 연결되어야 하므로 메모리 메타물질은 이러한 에너지 낭비를 줄일 수 있음.


연 구 개

1. 연구배경

메타물질은 일반적으로 관찰할 수 없는 특이한 광학적 특성을 얻기 위하여 빛의 파장보다 훨씬 짧은 구조물로 구성된 인공물질로써 음굴절, 0굴절, 고굴절률물질 구현이 가능하며 고해상도 렌즈 및 투명망토 등에 응용가능한데, 외부에서 인위적으로 공급되는 기계적, 전기 및 자기적, 광학적 또는 열적인 자극에 의해 변조가능한 메타물질의 연구가 활발히 이루어지고 있다. 이러한 변조 가능한 메타물질은 외부 자극에 반응하는 물질을 이용하거나 반도체 공정 기술로 제조된 미세전자기기 시스템과 접목시킴으로써 구현 가능하다. 그러나 변조된 광학적 특성을 지속시키기 위해서는 불가피하게 외부에서 지속적인 자극이 공급되어야 하는데, 이는 많은 전력 소모의 원인이 되어 불필요한 자원 낭비를 초래하게 된다. 이러한 단점을 극복하기 위해 외부의 자극이 제거된 이후에도 변조된 광학적 특성이 유지가능한 메모리 메타물질이라는 개념이 대두되었다. 

지금까지 보고된 메모리 메타물질은 열적 자극에 의해 광특성이 조절되는 바나듐 산화물 계열과 강한 광학적 자극에 의해 조절되는 저메늄-안티몬-텔루륨 같은 상변화 물질을 이용하여 구현되었다. 그러나 현실적으로 응용되기에는 한계가 있었다. 바나듐 산화물 기반 메모리 메타물질의 경우, 바나듐 산화물의 상변화 온도가 섭씨 60도 정도이므로 메모리 메타물질은 고온 또는 열적으로 고립된 환경에서만 메모리 특성을 유지할 수 있어서 상온에서는 20분 정도의 기억시간이 보고되었다. 저메늄-안티몬-템루륨 기반 메타물질의 경우, 부피가 큰 광학적 장치에 의해서 상변화를 여기할 수 있어서 장치에 제약이 있었다. 다양한 분야에 응용되기 위해 메모리 메타물질은 상온에서, 오랜 시간동안 메모리 특성이 유지되어야 하며 장치의 부피가 작을수록 적합하다.

이러한 현실적인 문제점을 해결하기 위해 그래핀 기반 메타물질에 메모리 특성이 우수한 강유전체 고분자를 접목함으로써 메모리 메타물질의 신뢰성을 향상시킬 수 있고 전기적으로도 구동가능하다. 

2. 연구내용

본 연구에서는, 그래핀 기반 메타물질과 그래핀에 인접한 강유전체 고분자, 강유전체 고분자에 전기적 입력을 위한 전극 배열이 순서대로 형성된 구조로 제작되었다. 전극배열과 그래핀 사이에 전압을 인가하게 되면 강유전체 고분자를 이루는 영구 쌍극자들이 전기장의 극성에 따라 정렬하게 되는데 전압을 제거시켜도 영구 쌍극자 정렬이 유지가 된다. 그러므로 강유전체 고분자-그래핀 복합체에서 그래핀은 비휘발적인 도핑이 된다. 이러한 비휘발적 도핑을 이용하여 그래핀 기반 메타물질의 광특성을 저장할 수 있는 메모리 메타물질을 제작하였다. 

인가되는 전압의 크기에 따라 다중 상태의 다양한 광학적 특성 (투과도, 위상, 편광상태)이 저장됨을 확인하였다. 모든 저장된 광학적 특성은 상온에서, 10만초 이상 유지됨을 확인하였고, 외삽에 의해 추정한 결과 10년 이상 저장가능하였다. 또한 반복적인 전압 인가에 의해 쉽게 광학적 특성이 변조됨을 알 수 있었다. 

□ 본 연구에서는, 강유전체-그래핀 복합체에 의한 구조를 이용하여 그래핀에 비휘발적인 도핑을 유도하여, 메모리 메타물질에서 광학적 특성의 기억시간을 향상시켰다. 

□ 본 연구에서는, 다양한 광학적 특성에 대해 메모리 메타물질에 기억시킬 수 있음을 확인하였다. 특히 편광상태 기억 가능한 메모리 메타물질은 최초보고이다.

□ 본 연구에서는, 단일 입력에 의해 구동되는 메모리 메타물질의 원리를 확장시켜 논리 연산 가능한 메타물질도 시연하였다. 논리 연산 가능한 메타물질은 그래핀 기반 메타물질에서 그래핀의 상층 및 하층에 독립적으로 제어 가능한 강유전체로 감싼 샌드위치 구조로 제작되었다. 두 개의 입력되는 전압의 극성에 따라 그래핀에 인가되는 비휘발적 도핑 상태는 4가지 조합이 가능하다.  

□ 본 연구에서는, 논리 연산 가능한 메타물질에 회로적인 구성을 변화시킴으로써 2 비트 디지털-아날로그 변환 가능한 메타물질도 시연하였다. 


민범기 교수 이력사항


○ 소  속 : KAIST 기계공학과   1. 인적사항  


2. 학력

 ○ 1999: Seoul National Univ. 전기공학부, 학사

 ○ 2001: Seoul National Univ. 전기․컴퓨터공학부, 석사

 ○ 2003: Caltech. 응용물리, 석사

 ○ 2006: Caltech. 응용물리, 박사


3. 경력사항

 ○ 2011~현재 : 부교수, KAIST

 ○ 2009~2011 : 조교수, KAIST 

 ○ 2007~2008 : Postdoctoral Scholar, UC Berkeley, USA 

 ○ 2006~2007 : Postdoctoral Scholar, Caltech., USA


4. 관심분야정보

 ○ 마이크로/나노광학

 ○ 메타물질 및 소자



posted by 글쓴이 과학이야기

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  1. 좋은글 감사

  2. 알찬 정보 좋네요~

2011. 12. 22. 15:53 대덕밸리과학소식/KAIST

강유전체는 대용량 데이터를 저장(D램)할 수 있으면서 작동 속도가 빠르고(S램) 전원 없이도 데이터가 지워지지 않는(플래시 메모리) 장점만을 고루 갖춘 차세대 반도체 메모리 'F램'의 핵심 물질이고, 자성체는 자기를 이용해 정보를 기억하는 새로운 형태의 기억소자 'M램'의 필수적인 요소입니다.

KAIST 양찬호 교수와 포스텍 박재훈 교수 연구팀이 상온에서 전기적 성질(강유전성)과 자기적 성질(자성)을 동시에 갖는 새로운 물질인 '다강체'의 물성을 규명했습니다.

이 두가지 이질적인 현상이 하나의 물질에서 동시에 발생하는 것은 대단히 희귀한 현상이며, 특히 각각의 상전이 온도가 일치한다는 것은 진성(proper) 강유전체에서는 이전까지 발견되지 않았습니다.

이에 따라 현존 저장장치(RAM)의 장점만을 갖는 차세대 비휘발성 메모리 개발에 새로운 가능성을 열었습니다.

연구팀은 다강체(비스무스 철산화물)를 단결정 박막으로 만들 때 발생하는 압축 변형의 결과 강유전 상전이와 자성 상전이가 같은 온도에서 동시에 일어나는 새로운 물질의 상태를 발견했습니다.

T-BFO 박막의 강유전 도메인 구조


전기적으로 자성을 조정하거나 자기장으로 유전 분극을 조정하는 것을 기반으로 한 신개념 비휘발성 메모리 소자 개발에 한걸음 다가선 것입니다.

비스무스 철산화물은 탁월한 상온 강유전성에도 불구하고 자기-전기 상호작용이 명확하지 않았습니다.

그러나 연구팀이 새롭게 발견한 상태는 기존의 물질과는 결정구조가 다른 신물질로, 발현되는 모든 물성이 획기적으로 다르고 전기와 자기 상전이의 일치했습니다.

이번 연구는 전기적, 자기적 질서의 상전이 온도가 같은 유일한 진성 강유전 물질 발견으로, 자기-전기 상호작용을 연구할 새로운 모델 물질을 찾았다는데 의미가 있습니다.

또한 상전이 온도가 상온이라는 점은 응용 가능성이 크다는 것을 보여줍니다.

이번 연구에는 양찬호 교수와 박재훈 교수, 정윤희 교수(포스텍), 김기훈 교수(서울대) 등이 참여했습니다.

연구결과는 '네이처(Nature)'의 자매지인 '네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)'에 지난 11월 29일자로 게재되었습니다.
(논문명: Concurrent transition of ferroelectric and magnetic ordering near room temperature)

T-BFO 박막을 합성하는데 사용한 증착 챔버와 함께 있는 양찬호 교수

 용  어  설  명

강유전체 (Ferroelectrics) 및 유전 분극 (Electric polarization) :
강유전은 전기장을 가하지 않아도 자연 상태에서 양이온과 음이온으로 분리되는 성질이다.
음이온들의 중심과 양이온들의 중심이 공간적으로 서로 벗어나 있을 때, 쌍극자 모멘트가 생성된다.
쌍극자 모멘트는 고전적으로 음이온 중심점에서 양이온 중심점을 잇는 벡터로 표현된다.
쌍극자 모멘트의 방향과 크기는 벡터에 의해 정의된다.
유전 분극은 거시적인 물성으로서 단위 부피 내에 있는 모든 쌍극자 모멘트의 합으로 표현될 수 있다.
쌍극자 모멘트들이 서로 상호 작용하여 같은 방향을 향하고 있다면 전기장이 없는 상태에서도 유전 분극이 큰 값을 가질 수 있는데, 이러한 현상을 강유전성이라 부르고, 강유전성 현상을 보이는 물질을 강유전체라고 일컫는다.  
 
자성체 (Magnetic materials) :
자성체란 물질의 구성 요소로 자기 이온이 함유되어 있는 물질을 통칭하나, 좁은 의미로는 자기 모멘트가 질서를 이루고 있는 물질을 말한다.
모든 자기 모멘트들이 같은 방향을 향하고 있다면 강자성체라고 부르며, 반대 방향을 향하는 두 모멘트가 질서를 이루는 경우 반강자성체라고 부른다.
 
상전이 온도 (Phase transition temperature) :
물질이 가지는 물성의 상태를 상(phase)이라고 부르고, 이러한 상이 특정 온도에서 바뀌기도 하는데, 이 온도를 상전이 온도라 부른다.

다강체 (Multiferroics) :
일반적으로 두 가지이상의 강성(ferroic) 질서를 가지는 물질을 일컫는데, 현재는 주로 강유전성과 (반)강자성이 공존하는 물질을 통칭한다.

<연 구 개 요>

 비스무스 철산화물 (BiFeO3; BFO) 물질을 LaAlO3 (001) 단결정 기판 위에 PLD 방법을 이용하여 증착한 결과 기존의 물질과는 15% 이상 격자상수가 다른 새로운 상태의 신물질(T-BFO)이 안정화되었다.
이러한 물질 상태는 준-안정한(meta-stable) 상태로 존재하였다가, LaAlO3 기판에 에피하게 증착되면서 압축변형에 의해 나타난 것으로 이해된다. 새로운 물질을 T-BFO라 부르고 기존의 일반 BFO를 R-BFO로 부르겠다. R-BFO 물질은 반강자성 상전이 온도가 640 K이며, 강유전 상전이 온도가 1100K로 알려져 있는 다강체(multiferroic) 물질이다.
하지만 T-BFO에서는 이러한 모든 물성이 크게 바뀌었다. 본 연구 결과는 T-BFO 물질의 자성, 구조적 성질, 강유전 성질에 관한 기초 연구를 포함하고, 자기전기(magnetoelectric) 효과에 대한 연구 결과도 보고하고 있다.
 우선 반강자성인 물질의 상전이 온도를 알아내기 위하여 본 연구팀은 자기 선평광 이색성 (Magnetic linear dichroism)을 이용하였다.
흥미롭게도 반강자성 상전이 온도는 ~380 K 가까이로 하강하였다.
보다 흥미로운 것은 자성 상전이 온도에서 구조적 상전이가 동반된다는 사실을 엑스선 회절 기법으로 통하여 발견하였으며, 이러한 구조 상전이는 강유전 분극의 방향 전환을 동반함을 주사 현미경 기법을 통한 강유전 도메인 구조 연구를 통하여 최종 결론지었다.
일반적으로 자성과 강유전성은 각기 자기장과 전기장을 통하여 조정되는 질서로서 상호 커플링이 대단히 미약하다.
자성 상전이 온도에서 강유전 분극의 방향이 바뀌는 일은 대단히 희귀한 현상인데, 극히 미약한 유전분극을 가지는 제한된 물질에서 극한 저온 환경에서 발생되는 것으로 알려졌다.
하지만 BFO와 같이 큰 유전분극을 가지는 진성 강유전체(proper ferroelectrics)에서 발견되기는 처음이다. 또한 상온 이상에서 상전이를 가지는 것은 응용적인 측면에서도 많은 이점이 있다.
 이렇게 상온 이상에서 자성과 강유전성이 동반되는 상전이 현상이 나타나는 것은 T-BFO가 강한 자성-격자 상호작용을 가지는 물질임을 시사한다.
전기적으로 자성을 조정하거나 역으로 교차 조정하는 소자의 개발과의 연관성에 주목해야 하는 이유이다.


posted by 글쓴이 과학이야기

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