일본 동북대학교 금속재료연구소의 이와사 요시히로(岩佐 義宏)교수의 연구팀은 재료에 전압을 걸어 초전도화 하는 방법을 개선하여 초전도의 전이온도를 0.4K에서 15K까지 40배 이상 상승시키는 데 성공하였다. 전압을 인가하여 초전도를 일으키는 방법은 종래의 화학적 방법과는 전혀 다른 것으로 작년 이 연구그룹에 의해 발견된 것이다. 이번 연구에서는 전압을 인가하는 재료를 개선하여 특성을 대폭적으로 향상시키는 데 성공하였다. 전압 인가에 의한 초전도화라고 하는 방법을 광범위한 재료에 적용할 수 있다는 것을 밝힌 결과로서 초전도 재료 개발에 새로운 길이 열린 것으로 평가된다.
높은 온도에서 초전도를 나타내는 재료의 개발은 재료과학 분야의 가장 중요한 테마 중의 하나이다. 종래의 방법은 다수의 원소를 혼합하여 새로운 물질을 화학적으로 합성하는 것에 초점이 맞추어져 있었다. 그러나 작년에 절연체 재료에 전압을 인가하는 것만으로 초전도를 일으킬 수 있는 기술이 이와사 교수를 포함한 동북대학교 연구그룹에 의해 발견되어 초전도 재료 개발에 새로운 가능성을 제시한 바 있다. 이 방법은, 유기물과 무기물을 접합하고 전압을 인가하여, 무기물 쪽에 전기를 흘리는 전도 캐리어를 축적시키고 이를 저온으로 냉각하여 초전도를 실현하는 것이다. 이 기술을 이용하면 원래의 물질이 전기를 흘리지 못하더라도 전압을 인가하는 것만으로 초전도화 할 수 있기 때문에 초전도 물질 탐색의 가능성을 크게 넓힌 것으로 평가된다. 그러나 작년 연구에서 이용된 재료는 극히 적은 수의 전도 캐리어로 초전도 현상이 나타나는 아주 특별한 예로서, 초전도가 일어나는 온도도 0.4K로 매우 낮았다. 이번 연구에서는 이온액체라는 특별한 유기재료를 이용함으로써 전도 캐리어의 수를 크게 증가시키는 한편, 새로운 무기물질로서 층상 구조를 가지는 물질을 이용하여 초전도 전이온도를 15K까지 상승시키는 데 성공하였다.
이번 연구에서 이용하고 있는 유기물과 무기물을 접합한 재료의 모식도는 첨부의 그림1과 같다. 유기물과 무기물을 접합한 면에서 생기는 매우 얇은 층(전기이중층)에 전도 캐리어가 축적된다. 이 구조는 반도체 집적회로의 기본소자인 전계효과 트랜지스터와 유사하기 때문에 전기이중층 트랜지스터라고 부른다. 이번 연구의 핵심 기술 중 하나는 이온액체라고 불리는 실온에서 액체의 상태를 가지는 염을 도입한 것이다. 이온액체는 유기물의 플러스 이온과 마이너스 이온으로 구성된 새로운 액체 물질로서 리튬이온 2차전지, 수퍼 커패시터 등의 축전 디바이스 이외에도 연료전지, 유기 태양전지 등의 분야에서 응용이 기대되고 있는 재료이다. 이 재료를 새로 도입하여 전도 캐리어의 수를 전계효과 트랜지스터의 10배 이상, 그리고 작년에 개발한 전기이중층 트랜지스터에 비해 수 배 이상으로 크게 향상시킬 수 있었다.
이 때문에 초전도화에 필요한 캐리어의 수가 큰 재료에 이 방법을 적용하는 것이 가능하게 되었다. 이번 연구에서는 무기재료로서 매우 평탄한 결정표면을 가지는 염화질화물 층상 물질을 이용하였다. 이 평탄한 결정표면과 이온액체를 접촉시켜 소자구조를 제작하였다. 게이트 전극에 인가한 전압을 크게 하면 전기저항의 높았던 층상물질의 저항이 극적으로 떨어져, 온도의 하강과 함께 전기저항이 작아지는 금속전도가 관찰되었다. 또한 전압이 3.5V를 넘어서는 영역에서부터 초전도의 거동이 나타나기 시작하여 4.5V 이상에서 전기저항이 0이되는 초전도가 실현되었다. 초전도 전이온도는 절대온도 15K로서 작년의 연구결과에 비해 크게 높아졌다. 측정 후 전압을 0V로 되돌리면 원래대로의 높은 저항상태로 돌아온다. 이처럼 전기저항이 높은 절연체의 상태에서 전압을 변화시키는 간단한 방법만으로 저항이 전혀없는 초전도 스위칭 현상을 실현하였다.
이번 연구는 전압을 인가하는 것만으로 초전도를 실현하는 방법이 일반적인 물질에도 적용 가능하다는 것을 실증한 것이다. 앞으로는 이 방법을 실제 다양한 물질에 적용하여 종래의 화학적인 합성 방법에서는 초전도 현상을 보이지 않던 물질을 초전도화 하거나, 보다 높은 초전도 전이온도를 가지는 신재료를 실현할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
(그림1) 전압에 의해 초전도를 제어하기 위한 전기이중층 트랜지스터의 소자 구조 모식도이다.
(그림2) 무기물질로서 이용한 층상구조의 염화질화물의 결정과 그 소자 구조이다.
(그림3) 게이트 전압 인가에 따른 금속화 거동과 초전도 전이현상을 나타낸다.
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초전도 현상 전기이중층 트랜지스터 개발
