국내 연구진들은 새로운 소재 설계 방식을 통해 동일한 원소의 조합에서도 전례 없는 기능을 추가할 수 있는 방법을 개발했다. 이를 통해 차세대 전자소자와 반도체 절연막, 열 센서 등에 대한 원천기술이 예고되며, 과학계에서 큰 관심을 끌고 있다. 이 연구는 ‘사이언스’지에 게재된 것으로, 국내 최고의 학술진들이 수행한 성과로 평가받고 있다.

본 연구는 과학기술정보통신부와 포항공과대학교(POSTECH) 이대수 교수, 이길호 교수, 최시영 교수, 숭실대학교 박세영 교수들이 공동으로 수행한 프로젝트의 일환이다. 연구진들은 원자층의 배열을 변경함으로써 재료의 기능적 특성을 변화시키는 방법론을 제안하였다. 이전까지는 새로운 원소를 추가하거나 혼합 비율을 조정하는 전통적인 방식이 주류였으나, 그 과정에서 재료의 기존 특성이 손실될 위험이 있었다.

이번 연구는 원소를 추가하지 않고도 원자층의 배열 순서만을 조절함으로써 새로운 기능을 재료에 부여할 수 있음을 보여주었다. 이 과정에서 특히 ‘선택적 원자 기울기’라는 개념이 중요한 역할을 한다. 이 방법은 두께의 방향으로 원자의 비율을 조금씩 다르게 배열함으로써 재료 내부에 극성 현상을 유도한다는 것이다. 이 극성은 원자층의 순서를 바꾸면 방향이 반전되며, 이러한 방법을 통해 전기적인 방향성과 같은 새로운 기능을 추가할 수 있게 된다.

구체적으로 연구진들은 금속 및 초박막 절연재료에 이 설계법을 적용하면서 다양한 성과를 얻었다. 금속 박막에 대한 실험에서는 전기가 흐르는 방향에 따라 저항의 차이를 조절할 수 있음을 확인하였다. 또한 5.1나노미터 두께의 초박막 절연재료에서는 누설 전류가 크게 감소되면서도 에너지 저장 능력이 유지됨을 입증하였다. 이러한 성과들은 반도체의 미래에 있어 중요한 발전 가능성을 제시한다.

특히 온도 변화를 전기 신호로 변환하는 열 센서 기술에서는 대표적인 비교 박막보다 약 100배 뛰어난 성능을 보였으며, 이러한 방향성 변화를 원자층의 순서 변경을 통해 제어할 수 있었다. 이 연구는 전류의 방향에 따라 다른 반응을 보이는 소자 기술, 누설전류 감소를 목표로 하는 차세대 초박막 절연막, 그리고 온도 변화 감지에 필요한 적외선 센서 개발 등으로 활용될 수 있음을 기대하게 한다.

이 대수 교수는 이 연구가 ‘새로운 원소를 추가하지 않고도 재료의 기존 특성은 유지하면서 새로운 기능을 추가할 수 있다’는 것을 입증했다며, 미래적으로 자성체와 초전도체 등 다양한 물질에 확장 가능성이 있음을 밝혔다. 연구진들은 이 방법론을 통해 실제 소자로 구현할 수 있는 후속 연구를 계획하고 있다. 이러한 발전은 학술적인 기여뿐만 아니라 산업의 혁신에도 중요한 의미를 지닌다.