ETRI, ‘56년간 미해결 현대물리 문제 풀다’

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2005-09-01 10:31

대전--(뉴스와이어)--‘절연체(부도체)는 전기가 통하지 않는다’는 기존의 일반상식을 깨고, ‘절연체를 전기가 통하는 금속체로 바꿀 수 있는 새로운 물질 속 자연현상’이 국내 연구진에 의해 세계 최초로 밝혀졌다.

ETRI(한국전자통신연구원, 원장 임주환) 기반기술연구소(소장 강석열)는 56년간 미해결 현대물리 문제로 남아있던 『모트 금속-절연체 전이 현상』을 세계 최초로 그 원리를 이론화하고, 실험으로 확인하는데 성공했다고 밝혔다.

1949년 Mott(영국 캠브리지대학, 노벨 물리학상 수상자) 교수가 “금속에서 전도전자들 사이에 쿨롱(Coulomb) 에너지가 매우 크면, 물질의 구조적 변화 없이 갑자기 모트 절연체로 전이가 일어날 수 있다”는 『모트 금속-절연체 전이 현상』이론을 처음 예언하였다. 그러나 『모트 금속-절연체 전이 현상』은 현재까지 56년간 실험으로 증명되지 못한 채, ‘연속적 금속-절연체 전이 현상’ 및 ‘구조 상전이 현상’과 더불어 끊임없이 학문적 논쟁을 거듭해온 현대물리에서 중요한 미해결 물리 문제 중 하나였다.

이번에 ETRI 테라전자소자팀(팀장 김현탁 박사)에서『모트 금속-절연체 전이 현상』을 새롭게 설명할 수 있는 획기적 이론인 『Hole-driven MIT Theory』를 새롭게 만들었다.

< ETRI 김현탁 박사의 Hole-driven MIT Theory> : 본 이론(Hole-driven MIT Theory)은 ETRI 김현탁 박사가 모트 금속-절연체 전이를 풀기 위해 10년 이상 끊임없이 노력하던 중, 1970년도에 먼저 발표된 금속-절연체 전이 이론인 “브링크만-라이스 픽쳐(Brinkman-Rice picture)”를 확장하여 확립시킨 이론이다. 이 이론에는 ①분수전하의 개념과 ②평균 측정효과의 개념이라는 뛰어난 발상(아이디어)을 쿨롱에너지에 도입하여, 실험으로 측정 가능한 새로운 수학적 발산(Divergence, 불연속 점프)을 유도해냈다. 그러한 발산으로부터 도출할 수 있는 예언은 다음과 같다. “저농도의 플러스 전하를 모트 절연체에 투입하여 임계(臨界) 쿨롱에너지를 낮추면, 갑자기 절연체에서 금속으로 전이가 가능하다”는 것이다.

이 이론의 증명을 위해 ETRI 연구팀에서는 금속-절연체 전이형 소자를 제작하고, 전류-전압 특성 측정으로부터 불연속적인 점프인 금속-절연체 전이 현상을 관측하였다. 또, 물질의 구조를 분석하는 마이크로 라만(Raman) 산란실험으로 구조 상전이를 동반하지 않는 금속-절연체 전이 현상을 확인함으로서 세계 최초로 『모트 금속-절연체 전이 현상』을 증명하였다.

아울러, 모트 금속-절연체 전이 현상이 쿨롱에너지가 크지 않은 물질로 알려진 화합물 반도체(예, GaAs 등)에서도 일어날 수 있음을 세계 최초로 예언하였다.

그리고 모트 금속-절연체 전이 현상을 일으키는 새로운 기능의 모트 트랜지스터를 세계 최초로 개발하였다. 현재 사용되고 있는 반도체 트랜지스터는 크기가 어느 한계 이하로 작아지면 사이즈 효과 때문에 전류의 크기도 작아져서 트랜지스터로 작동할 수 없게 된다. 따라서 고속 스위칭이 가능하고, 많은 전류를 흘릴 수 있는 모트 트랜지스터가 반도체 트랜지스터의 대안이 될 수 있다.

본 연구의 책임자인 김현탁 박사는『모트 금속-절연체 전이(MIT) 현상』을 발견하고 원리를 규명한 실험적 결과들을 세계적인 물리학 저널인 “New Journal of Physics”와 “Applied Physics Letter”에 2004년 5월과 2005년 6월에 각각 게재하여 국내·외 관련분야 학자들에게 큰 반향을 불러 일으켰다.

일반적으로 물질의 상전이(예, 얼음-물-수증기)는 물질의 구조변화를 동반하지만, 『모트 금속-절연체 전이』는 “물질의 구조적 변화를 동반하지 않으면서 갑자기 절연체에서 금속으로 또는 금속에서 절연체로 상전이(相轉移) 하는 것” 이 특징이다. 이 현상은 전기가 통하지 않는 공기 중에서도 번개가 치는 현상(전기 저항이 제로가 되는 현상, 즉 절연파괴 현상)의 원인으로 해석하고 있다.

이『금속-절연체 전이 현상』 규명이 물리학에서 매우 중요한 이유는 고온초전도, 자성체의 거대 자기저항 그리고 고체· 액체· 기체에서 일어나는 절연파괴 등 지금까지도 미해결로 남아 있는 다른 물리현상들에 대해서 해결 실마리를 제공할 수 있기 때문이다.

향후,『금속-절연체 전이 현상』을 응용하는 기술 분야는 매우 광범위할 것으로 예상된다. 특히, 전기·전자기기의 잡음제거 소자, 광소자, 차세대 메모리, 차세대 디스플레이 등이 유망한 응용분야가 될 수 있으며, 이 기술들이 머지않아 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 이러한 응용기술들은 미래 산업에 미치는 영향이 지대할 것으로 평가되고 있다.

연구책임자인 김현탁 박사는 “현재 본 연구팀에서는 금속-절연체 전이 기술에 기반을 둔, 각종 응용소자와 향후 이들의 대량생산화를 위한 원천기술 개발에 박차를 가하고 있다”며, “특히 고전압 잡음 제거용 MIT소자 상용화를 위해 노력하고 있다”고 말했다.

또한 ETRI 임주환 원장은 “지적재산권(IPR) 확보를 위해『금속-절연체 전이』에 관한 16건의 국내·외 원천 및 응용특허를 출원하였으며 그 중 이미 3개가 등록되었다”며, “연구개발의 지속적 추진을 위해 적극적인 지원과 연구 환경이 뒷받침될 경우, 우리나라의 강력한 차세대 성장 동력이 될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

< 본 연구결과에 대한 물리학 전문가 평가 >

1. 일본의 야수모토 타나까 박사
- 일본 츠쿠바의 첨단과학기술연구소(AIST)에 재직중이며, 일본에서도 손꼽히는 유명한 물리학자

“본 연구는 모트 금속-절연체 전이 현상에 대한 선구적 연구이며, 김박사의 아이디어와 개념은 수많은 연구자와 전자회사의 관심을 끄는 전기장에 의한 스위칭 효과를 통일할 수 있는 매우 큰 가능성과 능력을 가지고 있다”고 말했다. 또한 “한국에서도 최초로 노벨물리학상을 수상할 수 있는 뛰어난 후보자 한명을 보유하고 있다”면서 “한국은 차세대 산업과 노벨상을 깊은 배려속에서 잘 키워야 한다”고 힘주어 말했다.

2. 미국의 캘리포니아 샌디아고 대학 물리학과 드미트리 바소브 교수
- 광학적 방법으로 금속-절연체 전이를 연구하고 있는 유명한 물리학자

“모트의 금속-절연체 전이 현상은 지난 50년 동안 과학 사회에서 큰 신비로 남아있었고, 김박사의 ETRI 연구그룹이 얻은 새로운 결과는 전형적인 모트-절연체인 바나디움산화물(VO2)에서 일어나는 복잡한 효과를 이해시키는데 매우 크게 기여하였다”고 말했다.

3. 포항공대 물리학과 이후종 교수
- 국내외적으로 유명한 초전도 메키니즘 연구분야 전문가

"VO2에서 Mott 절연체-금속 상전이는 매우 중요한 주제이며, 다른 물질에서의 같은 현상 연구에도 좋은 reference가 될 것이며, 이 방면의 연구에 앞으로 좋은 이정표가 될 수 있겠다”고 하였다.

4. 부산대 강유전체 물성연구소장 장민수 교수
- 한국 유전체 물성연구의 태두

“세계물리학사 및 고체물리교과서에 길이 남을 수 있고, 학문적 가치가 매우 큰 연구업적”이라고 칭찬을 아끼지 않았다.

한국전자통신연구원 개요
ETRI는 전전자식교환기 (TDX), 디지털 이동통신시스템(CDMA)등의 정보통신 기술을 성공적으로 개발하여 우리나라가 정보통신 강국으로 진입하는데 획기적인 기여를 해 온 국내 최대의 정보통신 국책 연구 기관이다.

웹사이트: http://www.etri.re.kr