나노크기 바늘(nanometric needle)로 Sr2IrO4(stroncium iridate)에 변형 압력(deforming pressure)을 가할 때 보통의 조건에서보다 전도성이 250배 정도 향상된다는 것이 ICN2 Oxide Nanoelectronics Group에 의해 밝혀졌다. Nanoscale지에 게재된 연구에서는 원자힘 현미경(atomic force microscope; AFM)을 사용하였으며, 센서 및 전자제품에서의 stroncium iridate의 향후 활용 가능성을 제시하고 있다.

ICN2(Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology)의 연구원들은 실리콘 나노와이어 혹은 그래핀과 같은 물질에서 기록을 능가하는, 전자세라믹(electroceramic) 재료에서 측정되는 가장 높은 상온에서의 피에저저항(piezoresistivity) 값을 측정할 수 있었다. 게다가 압력을 조절하기 위한 복잡한 장비를 사용하지 않고서도 간단한 기술을 이용해 측정할 수 있었다. 본 연구는 Gustau Catalan 교수가 이끄는 Oxide Nanoelectronics Group에 의해 수행되었다. Neus Domingo 박사는 본 연구에서 기술개발에 핵심적인 기여를 하였다.

피에조저항은 특정 물질에 압력이 가해졌을 때 물질의 전기 전도성이 변화하면서 발생한다. 이것은 절연체 및 반도체 물질이 매우 특별한 전기적 특성을 가지고 있어서 서로 다른 특성의 띠(band)들을 형성한다는 사실에 기인한다. 여기에서 띠는 전자가 존재하는 원자가 띠(valence band) 및 전류가 흐르는 전도성 띠(conduction band)를 의미한다. 이런 띠들은 에너지 갭(energy gap)에 의해 분리되어 있다. 이 갭이 얇아지면 전도성 띠에 존재하는 전자들의 수가 더 많으며, 결과적으로 전기 전도성도 더 높게 된다.

특정 반도체 물질에 압력이 가해지면, 전도성 띠와 원자가 띠를 분리하는 띠의 간격이 바뀌게 된다. 이로써 전자들이 전도성 띠로 도약할 수 있게 되며 결과적으로 물질의 전기 저항성이 감소하게 된다. 환언하면, 물질에 압력을 가할 때 전기 전도성이 증가하게 된다는 의미이다. 이런 사실은 압력센서로부터 마이크로전자긱용 트랜지스터(microelectronic transistor)에 이르기까지, 전압 대신에 압력에 의해 전류가 조절되는 다양한 분야에서 활용될 수 있다.

고압연구에 사용된 나노바늘
ICN2 연구실에서, Catalan 교수의 연구팀은 Sr2IrO4(stroncium iridate)라는 세라믹 물질에서 엄청난 피에조저항을 측정하였다. 피에조저항은 원자힘 현미경을 통해 측정되었는데, 원자힘 현미경은 나노크기의 예리한 바늘로 물질에 압력을 가함과 동시에 전도성을 정량화할 수 있는 기기이다. 본 연구는 원자힘 현미경을 피에조저항 측정에 처음 활용한 사례로, 이 장비의 새로운 영역을 개척한 셈이다.

원자힘 현미경의 바늘은 매우 작아서 미세한 힘도 높은 압력 값으로 전환할 수 있다. 대략 제곱 센티미터당 개미의 무게 정도인 1mg 미만의 힘을 바늘에 전가하면, 코끼리 20마리 무게에 해당하는 100톤 이상의 압력을 생성시킬 수 있다. 사실 압력이 매우 높아서(약 10GPa) 뭉개지는 현상을 방지하기 위해 바늘은 다이아몬드를 이용해 제작된다.

이런 높은 수준의 압력에서, 연구팀은 Sr2IrO4의 전도성 값이 보통의 조건에서보다 250배 이상 높다는 것을 발견하였다. 놀랍게도, 500회 이상 변형을 유발시켰음에도 불구하고, 시편에는 어떤 손상도 나타나지 않았다. 게다가 피에조저항은 상온에서 측정된 값이다. 결론적으로 이 반도체는 미래 센서, 새로운 종류의 트랜지스터 및 다른 특수화된 전자기기에 활용될 가능성이 높다. 그러나 이리듐(iridium)이 지구 상에 희소한 원소이기 때문에 과학자들은 이를 대체할 다른 물질을 탐색하고 있다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』