오랜 기간 동안 가설로 제안되었던 ‘네거티브 커패시턴스(Negative Capacitance)’라고 불리는 희귀한 현상을 직접 관찰하는 방법이 처음 소개되었다. 본 연구는 강유전체 물질에서 인가된 전압에 대한 전하의 독특한 반응을 설명해주고 있으며, 트랜지스터나 트랜지스터를 포함하는 기기에 의해서 소비되는 전력을 크게 감소시킬 수 있는 가능성을 열어주고 있다.
커패시턴스(Capacitance, 전기용량)란 어떤 물질이 전하(Electrical Charge)를 저장하는 능력을 나타내는 지표이다. 실제로 모든 전자기기에서 나타나는 일반적인 커패시터(Capacitor, 축전기)는 전압이 커패시터에 인가되었을 때 전하를 저장하게 된다. 새로운 현상은 역설적인 반응을 나타낸다. 즉, 인가되는 전압이 증가하면 전하의 저장이 감소하기 때문에 ‘Negative Capacitance’라고 지칭하게 되었다.
저자인 Asif Khan에 의하면, 이런 특성을 트랜지스터에 성공적으로 접목시키면, 소비전력을 크게 감소시킬 수 있게 될 것이라고 한다. 또한 장시간 사용할 수 있는 휴대폰 배터리, 전력소비가 적은 컴퓨터 및 현재 태생단계에 있는 디지털 혁신의 주축이 될 더 빠르고 작은 프로세서 개발을 크게 앞당기게 될 것이다.

네거티브 커패시턴스 효과를 보여주는 강유전체 물질의 원자구조(사진. KISTI미리안)

에너지 효율을 높인 전자 디바이스

특정한 티타늄 기반 금속 산화물은 페로브스카이트라고 알려진 결정 구조를 형성하여 전기 전하의 미세한 내부 불균형을 발생시킨다. 이런 불균형은 물질이 전기장에 반응하여 두 강유전 상태 사이로 바뀔 수 있게 해, 매우 빠르고 낮은 전력을 사용하는 전자기기를 가능하게 해 줄 것으로 전망된다. 

일본 RIKEN 신생 재료 과학 연구 센터의 Masashi Kawasaki와 그의 동료 연구진은 도쿄 대학의 Yusuke Kozuka와 공동 연구를 통해서 이온 액체를 사용함으로써 강유전체 물질의 성능을 전형적으로 저감하는 누수 전하를 제거할 수 있는 새로운 방법을 발견했다. 

실리콘 기반 필드 효과 트랜지스터는 현대 전자기술의 기초이다. 이런 디바이스에서 트랜지스터 접합을 통한 전류 흐름은 입력 소스 및 출력 드레인 사이의 반도체 게이트의 전자 상태를 교대로 함으로써 조절된다. 전류는 단지 전압이 반도체에 인가되었을 때만 그와 같은 디바이스에서 흐를 수 있다. 이에 비해서 강유전체 결정의 전기적 특성이 바뀔 수 있는 것은 소스와 드레인 터미널 사이의 채널 편극을 영구적으로 설정하여, 채널에 일정한 전압 없이 ‘온’ 상태로 전류가 흐를 수 있게 해준다. 이런 방법은 비휘발성 메모리 응용과 논리 회로를 위해 매우 유용하다는 것을 증명할 수 있다.

연구진이 당면한 문제는 강유전체를 최적화하는 것이었다. 

이 경우에는 바륨 티탄산염이 있다. 하나는 에피탁시얼 박막으로서 강유전체 물질의 결정질 층을 성장시킴으로 만들어진 것과 다른 하나는 상업용 벌크 결정에 기반한 것으로 만들어진 두 디바이스를 비교함으로써, 연구진은 박막 트랜지스터가 놀랍게도 그 자신의 ‘온’ 상태를 보였다고 밝혔다.