10억 차례 이상 반복 구동해도 끄떡없는 차세대 반도체 소재가 개발됐다. 한국연구재단은 서울대 손준우 교수, 포항공대 최시영 교수 연구팀이 '상전이 바나듐 산화물 반도체'의 결정구조 상변이를 제어해 열화(소재가 외부·내부적 영향으로 화학·물리적 성질이 나빠지는 현상)를 막을 수 있는 기술을 개발했다고 7일 밝혔다. 

상전이 바나듐 산화물 반도체는 임계 전압에 이르면 소재 특성이 절연체에서 금속으로 바뀌어 전기전도도가 급격히 증가하는 '금속-절연체 상전이' 현상을 보이는 데, 저전력 광전자 소자와 뉴로모픽(뇌신경 모방) 신소자용 차세대 소재로 주목받고 있다. 다만 급격한 전기적 상전이에 동반하는 결정구조의 상전이가 스위칭 속도를 떨어뜨리고, 부피 변화로 인해 응력(외력에 의해 변형된 물체 안에서 발생하는 힘)이 발생하면서 소재의 내구성에 치명적인 영향을 준다는 문제가 있다.

연구팀은 상전이 바나듐 산화물에 과냉각된 타이타늄 이온을 도핑해 구조적 상변이의 원인인 결정구조의 규칙적인 질서를 교란하는 방법으로 부피 변화를 없애는 데 성공했다.

전자현미경 분석을 통해 물에서 급속도로 냉각된 얼음처럼 나노 영역에서의 구조적 이질성과 무질서함이 부피 변화 없는 상전이를 구현하는 데 중요한 요인임을 밝혀냈다.

연구팀이 구현한 무(無)응력 상전이 박막은 나노초(10억분의 1초) 이하의 빠른 스위칭 속도와 10억 번 이상의 반복 구동에도 열화되지 않는 특성을 보였다.

손준우 교수는 "내구성이 높은 상전이 기반 반도체 소재 구현에 실마리를 제공할 것"이라며 "상전이 기반 신소재의 지능형 반도체와 광소자로의 응용 가능성을 높였다"고 연구 의의를 설명했다.