국내 연구진이 결정물질의 에너지 제어 특성과 비결정 물질의 에너지 압축 특성을 동시에 가진 새로운 형태의 물질을 처음으로 제시했다.

서울대 전기정보공학부 박남규 교수 연구팀은 24일 입자물리학의 초대칭 이론(Super-symmetry)을 비결정·무질서 매질 설계에 처음으로 적용, 결정·비결정 구조의 장점만 골라 갖는 비결정 신매질을 설계하는 데 성공했다고 밝혔다.

한국연구재단 글로벌프론티어사업 등의 지원으로 수행된 이 연구 결과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션스'(Nature Communications, 9월 16일자) 온라인판에 게재됐다.

초대칭 무질서 매질(왼쪽)과 밴드갭 특성(오른쪽)

빛이나 전기를 전달해주는 물질인 매질은 크게 구성 입자 배열이 규칙적인 결정 매질과 배열이 불규칙한 비결정 매질로 나뉜다.

결정 매질은 빛이나 전자 같은 파동에너지(주파수)를 특정 영역으로 제어할 수 있어 레이저, 반도체, 태양전지 등에 응용되고, 비결정 매질은 파동에너지를 특정 '공간'에 집중, 압축시켜 고성능 반도체·광학 소자 제작에 사용된다.

그러나 현재까지 결정 및 비결정 구조의 장점인 에너지 제어와 압축을 동시에 할 수 있는 매질을 만드는 것은 불가능하다고 여겨졌다.

연구진은 입자물리학의 초대칭이론을 비결정 무질서·매질의 설계에 처음으로 적용했다.

초대칭 이론은 세상을 구성하는 모든 입자는 회전 특성을 나타내는 스핀(spin) 값만 다르고 다른 모든 성질은 같은 초입자 (Super-particle) 짝을 갖는다는 이론이다.

결정 매질의 입자를 나타내는 함수를 수학식을 이용해 초입자 함수로 바꾸는 '초대칭 변환'을 계속 적용하면 결정구조가 사라져 원자 배열이 무질서한 물질 입자의 함수를 얻을 수 있다.

연구진은 이렇게 얻은 원자배열 무질서한 물질이 결정 매질의 에너지 제어 특성은 그대로 유지하면서 비결정 매질의 장점도 함께 갖는다는 사실을 처음으로 이론적으로 증명했다.

연구진은 이 성과를 바탕으로 완벽한 에너지 특성을 가지는 동시에 수십 배의 에너지 압축이 가능한 다양한 신소재를 설계할 수 있고 레이저·반도체 소자의 성능을 혁신적으로 개선하는 등 다양한 전자소자 개발에 활용할 수 있을 것으로 보고 있다.

또 기존에 연구된 모든 결정구조에 초대칭 변환식을 적용해 원하는 특성을 가진 물질로 쉽게 설계할 수 있어 사용이 어려웠던 저품질 재료도 원하는 특성에 맞게 변환시켜 산업에 활용할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

박남규 교수는 "이 연구결과는 입자물리에서 초끈이론에만 활용되던 초대칭이론을 광학과 반도체의 실용적 영역으로 끌고 왔다는 점에서 큰 의미가 있는 새로운 융합 기술"이라고 말했다.

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