인공지능, 빅데이터, 사물인터넷, 자율주행차 등의 첨단기술로 대표되는 4차 산업혁명을 달성하기 위해서는 막대한 양의 디지털 데이터를 처리/저장할 수 있는 반도체 기반의 정보처리 인프라가 필수적이다. 또한, 코로나-19 팬데믹으로 인해 집, 학교, 직장에서의 온라인 비대면 생활이 일상이 되어버린 요즈음 전 세계적으로 시스템/메모리 반도체에 대한 수요는 더욱 증가하고 있다. 이와 같이 급증하는 반도체 수요에 비해 반도체를 공급할 수 있는 제조업체는 제한되어 있기 때문에, 포스트 코로나 시대에서 반도체 산업은 단순한 설계/제조 산업의 일부가 아니라, 한 국가의 미래 먹거리와 직결된 기간산업으로 인식되고 있다.

실제로 대부분의 국가들 사이에서 차세대 반도체 관련 핵심 기술이나 원천 소재를 선점함으로써, 다가올 새로운 시대에서의 경제적/기술적 경쟁력을 확보하기 위한 과학기술 패권 경쟁이 매우 치열해지고 있다. 우리나라에서 소부장(소재, 부품, 장비) 사태로 잘 알려져 있는 2019년 일본수출규제로 인한 한일무역분쟁, 삼성과 애플 사이의 스마트폰 특허 분쟁, 그리고 현재 진행 중인 미국과 중국 사이에 반도체 전쟁 등은 최근 심화되고 있는 과학기술 패권 경쟁의 대표적인 사례들이다. 이와 같은 기술 무한 경쟁을 하루빨리 종식시키고 시대적 소명에 부응하기 위해, 과학기술 분야에서는 새로운 접근법 및 도전적인 시도를 통하여 고효율, 고집적의 다기능성 반도체 신소재/신물질 개발에 모든 역량을 집중하고 있다. 최근 이러한 노력의 결실로써 강유전체가 차세대 반도체 후보물질로 다시금 많은 연구자들의 관심과 주목을 받고 있다.

또한, 강유전체 물질은 자가발전 에너지 소재로 활용이 가능하다. 4차 혁명시대의 중요한 개념 중 하나인 사물인터넷(IoT) 분야에서 극한환경에서의 안전이나, 환경상태의 상시 감시, 그리고 인간의 건강상태를 상시 모니터링할 수 있는 커넥티드 헬스케어에서 필요한 자가발전 전원이나 센서 소자의 중요성이 크게 부각되고 있다. 실제로 강유전체 물질의 압전특성은 자가발전 전원 센서 소자인 압전 나노발전기 개발에 매우 유용하게 활용될 수 있다. 더 나아가, 인체 부착형이나 삽입형에 필요한 유연 나노발전기의 경우는 변형구배에 의해 나타나는 변전효과도 압전효과와 더불어 소자의 출력향상에 유용하게 사용될 수 있다.

위와 같은 시대적 배경 및 흐름에 맞추어 ‘물리학과 첨단기술’ 9월 특집호에서는 1920년 Joseph Valasek이 Rochelle salt에서 강유전성을 처음 발견한 이후, 지난 100여 년간 강유전체 관련 핵심 개념들 및 중요한 연구 성과들을 일반 독자들이 알기 쉽게 정리하고자 하였다. 그리고, 4차 산업혁명과 포스트 코로나로 대변되는 ‘뉴노멀’ 시대에서 우리나라 강유전체 연구가 새롭게 나아가야 할 방향에 대해서 가늠해 보고자 하였다. 이를 위해 다음과 같이 총 6가지 이슈들에 대해 각 주제별로 해박하신 전문지식과 뛰어난 통찰력을 가지고 계신 6분의 훌륭하신 교수님들께 각각 1편씩 원고 집필을 부탁드렸다.

(1) 먼저, 강유전체 발견 100년을 기념하면서 (2) 전통적인 강유전체에서 나타나는 흥미롭고 중요한 물리 현상들에 대해서 소개하고, 지난 100년간 이루어진 강유전체 관련 기초 및 응용 연구를 간략히 살펴보았다. 예를 들어, 강유전체 내 2개의 자발 분극 상태는 전기장과 같은 외부 자극에 의해 반전시킬 수 있고, 이를 제어하여 디지털 정보를 0과 1의 이진법 신호 체계로 전기적으로 읽고/쓰고/저장하는 비휘발성 메모리를 구현할 수 있다. (3) 그리고, 우리나라 응집물질물리와 재료과학 연구자들을 주축으로 구성된 ‘한국 유전체 연구회’에서 수행된 지난 70여 년간의 대한민국 강유전체 연구를 반추해보고, 관련 개척 연구들의 성과와 의의를 되짚어보고자 하였다. (4) 한편, 강유전체에 외부 전기장이 가해지면, 강유전체 내 자발 분극 및 인가된 전기장의 방향에 따라 소재의 크기가 변형(압축 또는 인장)되는 압전 현상이 나타난다. 이러한 강유전체의 전계 변형 특성은 압전 엑츄에이터/센서, 신재생 에너지 하베스터/발전기와 같은 다양한 기능성 나노 소자에 광범위하게 응용되고 있다. (5) 또한, 현재 비휘발성 강유전체 메모리 연구의 새로운 르네상스를 열고 있는 ‘산화하프늄’(HfO₂) 소재에서 발현된 강유전 분극 특성과 관련하여 최근까지 진행된 연구 성과를 소개하고, 실제 반도체 메모리 소자로의 구현 가능성에 대해서 알아보고자 하였다. (6) 마지막으로, 최근 고체물리 분야에서 강유전체와 관련하여 새롭게 주목받고 있는 연구 주제들에 대해서 살펴보고, 그 연장선상에서 우리나라 유전체 연구가 나아가야 할 방향에 대해서 제시하였다. 한 예로, 공간 반전 대칭성이 깨어져 있는 강유전체를 다른 응집물질계와 이종 접합하는 경우, 이종 계면에서의 인접효과를 이용하여 접합된 대상 물질의 결정학적 대칭성을 조절할 수 있다. 이러한 결정구조의 변화는 고체 내 전자들 사이의 강상관성에 영향을 주고, 이를 통하여 기존 대상 물질에서는 나타나지 않던 전혀 새로운 물리적 현상이 창발될 수 있다.

작년 가을 한국물리학회에서는 국내에서 유전체 연구로 저명하신 원로/중진 교수님들과 미래가 촉망받는 신진 교수님들을 모시고, ‘강유전체 발견 100주년’을 기념하는 포커스 세션을 개최하였다. 이러한 강유전체 100주년 기념 세션이 결정적인 계기가 되어, ‘물리학과 첨단기술’ 강유전체 특집호를 편집하게 되었음을 꼭 밝히고 싶다. 이 자리를 빌어 강유전체 100주년 기념 세션 조직에 적극 참여해주신 부산대학교 박성균 교수님, 한국과학기술원 양찬호 교수님, 울산과학기술원 이준희 교수님께 감사의 마음을 전하고 싶다. 그리고, 교육 및 연구 활동으로 매우 바쁘신 중에도 이번 강유전체 특집호를 위해 훌륭한 원고를 집필해 주신 성균관대학교 이재찬 교수님, 창원대학교 송태권 교수님, 울산대학교 김일원 교수님, 부산대학교 황윤회 교수님, 부산대학교(現 서울대학교) 박민혁 교수님, 한국과학기술원 양찬호 교수님, 전북대학교 부상돈 교수님께 깊은 감사의 인사를 드리고 싶다. 또한, 특집호 표지 그림을 준비하면서 Rochelle salt 단결정 사진을 보내주신 인제대학교 이광세 교수님과 페로브스카이트 BaTiO₃ 단결정의 주사투과전자현미경 이미지를 보내주신 울산과학기술원 정후영 교수님께도 고마움의 마음을 전하고 싶다.

아무쪼록 이번 강유전체 특집호에서 소개된 내용들이 ‘다음 학문후속세대들이 유전체 관련 새롭고 도전적인 연구를 진행하는 데 있어서 유용한 자양분이 될 뿐만 아니라, 다양한 인접 학문분야의 연구자들이 유전체 관련 협력연구나 학제간 융합연구를 촉진할 수 있는 계기가 되었으면 좋겠다’라는 작은 바램과 함께 편집후기를 마치고자 한다.

[객원 책임편집위원 한국유전체연구회 3대 회장 및 부산대학교 나노에너지공학과 교수 황윤회 (yhwang@pusan.ac.kr), 울산대학교 물리학과 부교수 김태헌 (thkim79@ulsan.ac.kr)]