원자 배열이 규칙적인 결정질 구조에 짧은 파장 빛을 조사하면 저온 비열적 상전이 과정을 일으키며 오른쪽 그림의 원자 배열이 불규칙적인 비결정질 구조로 변하는 모습.사진제공=한국기초과학지원연구원
[대전=일요신문] 박하늘 기자 = 한국기초과학지원연구원(기초지원연)이 물질의 상태변화가 운동하는 전자의 양이 많아지는 것보다 개별 전자의 에너지가 중요하다는 것을 증명해 냈다. 반도체 관련 분야에 큰 영향을 끼칠 것으로 기대를 모은다
기초지원연 스핀공학물리연구팀 방준혁 박사팀은 반도체 물질에 쪼이는 레이저의 파장을 조절해 물질 고유의 상태 변화 온도보다 더 낮은 온도에서 변화가 일어나는 현상(저온 비열적 상전이)을 유도할 수 있음을 확인하고 그 발생원리를 규명했다고 29일 밝혔다.
‘저온 비열적 상전이’는 자와 전자간 상호작용의 변화로 일어나는데, 그동안 정확한 이론적 방법론이 없어 구체적인 연구가 이뤄지지 않았다.
방준혁 박사팀은 전자와 원자들의 동역학적 특성을 시뮬레이션 하는 방법을 개발해 쪼이는 레이저의 파장을 짧게 해 물질 내 전자들의 에너지를 높이는 것이 저온 비열적 상전이 현상을 발현하는데 중요한 요소임을 밝혀냈다.
그동안 레이저의 세기를 강하게해 물질 내 들뜬 전자 수를 늘리는 것이 현상 발현의 중요 요소라고 여겨졌다.
하지만 이번 연구로 들뜬 전자의 양 보다는 개별 전자 에너지를 높이는 것이 더 큰 영향을 끼친다는 것을 확인했다.
연구팀은 300~400도의 낮은 온도에서도 600도 수준의 상태변화를 일으킬 수 있는 이론적 근거를 확보 하게 돼, 열로 인한 물질과 회로의 스트레스를 줄여 반도체 소자의 안정성을 크게 향상 시키는 한편 소재공정 관련 신기술 개발도 가능할 것으로 기대하고 있다.
방준혁 박사는 “물질 내 전자 동역학은 트랜지스터, 태양전지, LED등 다양한 반도체 소자 응용뿐만 아니라, 광합성, 물 분해 과정 등 다양한 생물학적, 화학적 현상을 이해하는데 중요한 기초가 되지만, 아직 기본 원리에 대한 이해가 부족한 상태”라며 “향후 본 연구에서 개발하고 적용한 방법론을 다양한 물질, 현상들에 적용하여 여러 문제를 해결하기를 기대한다”고 말했다.
이번 연구성과는 물리학 분야 유명 저널 ‘피지컬 리뷰 레터(Physical Review Letters)’ 9월16일자에 게재됐다.
기초지원연 방준혁 선임연구원
