KAIST(총장 이광형)는 홍승범 신소재공학과 교수가 제네바대학교와 국제공동연구를 통해 강유전체 표면이 비대칭적으로 손실 또는 제거되는 현상(마멸)을 세계 최초로 관찰해 규명한 뒤 이를 활용해 혁신적인 나노 패터닝 기술을 개발했다고 26일 밝혔다. 나노 패터닝 기술이란 나노스케일로 소재의 표면에 정밀한 패턴을 생성하는 기술이다. 다양한 첨단 기술 분야에서 제품 성능을 향상시키는 데 사용된다.

연구팀은 강유전체 소재의 표면 특성에 관한 연구에 집중했다. 이들은 원자간력 현미경(Atomic Force Microscopy)을 활용해 다양한 강유전체의 마찰·마모 현상을 관찰했고 강유전체의 전기적 분극 방향에 따라 그 특성이 다르다는 것을 세계 최초로 발견했다.

아울러 이러한 분극 방향에 따라 달라지는 마찰·마모 현상의 원인으로 변전 효과(Flexoelectric effect)에 주목했다. 변전 효과란 물질이 휘어졌을 때 분극이 발생하는 현상이다.

연구진은 강유전체의 마찰·마모 특성이 나노 단위에서 강한 응력이 가해질 때 발생하는 변전 효과로 인해 분극 방향에 따른 상호작용으로 바뀌게 된다는 사실을 발견했다. 
 

이번 연구의 제1 저자인 KAIST 신소재공학과 졸업생 조성우 박사는 "이번 연구는 세계 최초로 강유전체 비대칭 마찰·마모 현상을 관찰하고 규명한 데 의의가 있다"며 "분극에 민감한 마찰·마모 비대칭성이 다양한 화학적 구성·결정 구조를 가진 강유전체에서 널리 적용될 수 있어 많은 후속 연구를 기대할 수 있다"고 설명했다.
 
공동교신저자로 본 연구를 공동 지도한 파루치(Paruch) 제네바대 교수는 "변전 효과를 통해 강유전체의 도메인이 분극 방향에 따라 서로 다른 표면 특성을 나타내는 것을 활용함으로써 다양하고 유용한 기술들을 개발할 수 있을 것"이라고 말했다.

연구를 이끈 홍 교수는 "이번 연구에서 개발된 패터닝 기술은 기존 반도체 공정에서 쓰이는 패터닝 공정과 달리 화학 물질을 사용하지 않고 매우 낮은 비용으로 대면적 나노 구조를 만들 수 있어 산업적으로 활용될 수 있는 잠재력을 가지고 있다"고 전망했다.

이번 연구는 한국연구재단과 KAIST 글로벌특이점 사업의 지원, 스위스·스페인 연구진과의 국제공동연구를 통해 수행됐으며, 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 지난 1월 9일 자로 출판됐다. 

[참고자료]
논문명: Switchable tribology of ferroelectrics.