ETRI 내 기반기술연구소의 테라전자소자팀(팀장 김현탁 박사)은 1일 전기가 통하지 않는 절연물질에 전압을 가하면 전류가 통하는 금속물질로 바뀌는 과정을 이론적으로 정리하고 실험을 통해 입증하는 데 성공했다고 밝혔다.

노벨물리학상 수상자인 영국 케임브리지 대학의 모트 교수가 1949년 "어떤 금속물질의 경우 전자 간에 서로 미는 강력한 힘으로 인해 전류가 통하지 않는 절연체로 갑자기 바뀔 수 있다"는 가설을 세우면서 '모트 절연체'란 이름을 붙였다. 이후 56년 간 세계 물리학자들이 모트 교수의 가설의 원리를 입증하기 위해 연구했지만 지금까지 입증하지 못했다.

ETRI 김현탁 박사 팀은 자연에 존재하는 모트 절연체로 알려진 100여 개 물질 중 하나인 바나듐옥사이드를 가지고 실험에 착수했다. 외부 자극이 없는 상태에서 바나듐옥사이드는 전류가 통하지 않았다. 여기에 미세한 전압을 가하자 팽팽하게 밀고 당기던 전자 간의 균형이 순식간에 무너졌다. 전압으로 인해 전자 하나가 밖으로 퉁겨나가면서 구멍(정공)이 생겼기 때문이다. 이때부터 바나듐옥사이드는 전류가 통하는 금속물질로 바뀌었다.

물론 전압을 가하지 않으면 예전의 절연체로 돌아갔다. 이는 일정한 전압을 가하면 도체로 변했다가 전압이 없으면 부도체로 바뀌는 반도체와 같은 원리다. ETRI 김 박사팀은 모트 교수의 가설을 반대 방향에서 접근해 입증한 셈이다. 즉 절연체에 전기를 통하게 한 것이다. 이번 연구 결과에 대해 일본 쓰쿠바 대학의 야스모토 다나카 박사는 "김 박사팀의 아이디어와 개념은 많은 연구자와 기업의 관심을 끌 만한 것"이라며 "한국도 이제 노벨 물리학상을 수상할 수 있는 뛰어난 후보자를 보유하게 됐다"고 평가했다.

김 박사는 "모트 절연체는 디지털 전자제품의 성능과 크기를 획기적으로 개선할 수 있다"며 "차세대 메모리 반도체와 광소자.차세대 디스플레이 등에 적용할 수 있을 것"이라고 밝혔다. 김 박사는 "모트 절연체는 모래에서 추출한 반도체의 소재인 실리콘보다 1만~10만 배가량 전류가 잘 통하기 때문"이라고 설명했다.

따라서 모트 절연체를 메모리 반도체의 소재로 사용한다면 기존의 반도체보다 크기를 확 줄일 수 있다는 것이다. 실리콘의 경우 일정 크기 이하면 전류가 통하지 않아 반도체 크기를 줄이기 어렵다.

실제 미국 IBM은 2000년 김 박사팀이 입증한 이론과 유사한 이론을 이용해 연구한 결과 반도체를 5나노미터(1나노미터는 10억분의 1m) 크기로 제작할 수 있을 것으로 계산했다. 이 기술이 상용화되면 20년간 100조원 규모 이상의 시장을 창출할 것으로 추정된다.

또 ETRI는 기존의 공정 기술로는 10여 개의 부품이 필요한 열 감지 센서를 모트 절연체를 이용해 3개의 부품으로 만드는 데 성공했다. 이와 함께 모트 절연체로 만든 전류 차단기는 일정 수준 이상의 과전류가 흐르면 즉각 전류를 차단해 귀중한 전산장비를 보호할 수 있음도 확인했다.

김 박사는 "ETRI는 원천응용특허 16건을 국내외에 출원했다"며 "앞으로 모트 절연체를 실용화하는 데 주력하겠다"고 밝혔다.

(중앙일보 / 이희성 기자 2005-9-2)

56년간 미해결 물리과제..'한국이 풀다'

지난 56년간 현대물리학의 미해결 과제로 남아있던 '절연체가 금속이 되는 현상'을 국내 연구진이 세계 최초로 원리를 규명하면서 세계 물리학계의 주목을 받고 있다.

1일 한국전자통신연구원(ETRI) 테라전자소자팀 김현탁 박사는 '모트 금속-절연체 전이현상'을 세계 최초로 그 원리를 이론화하고 실험으로 증명하는데 성공했다고 밝혔다.

이번 실험의 연구성과는 세계 물리학계의 한획을 긋는 중요한 업적으로, 세계 물리학사는 물론 고체물리교과서에 길이 남을 수 있는 학문적 가치가 매우 크다. 뿐만 아니라 이번 연구성과에 따른 응용산업 창출로 산업계에 미치는 영향은 매우 클 것이라는 평가를 받고 있다.

김현탁 박사가 세계 최초로 원리를 규명한 연구는 '전기장에서 절연체(부도체)가 금속체로 바뀌는 것을 규명'한 것이다. '절연체가 금속으로 바뀔 수 있다'는 가제를 세운 사람은 '모트'라는 영국 캠브리지대학의 교수다. 노벨 물리학상 수상자이기도 한 모트는 지난 49년 '금속에서 전도전자들 사이에 쿨롱(Coulomb) 에너지가 매우 크면, 물질의 구조적 변화없이 갑자기 모트 절연체로 전이가 일어날 수 있다'는 학설을 내세웠지만 이후 이 가설을 실험을 통해 증명한 학자는 한 명도 없었다.

김 박사는 바로 이 모트의 가설을 최초로 실험을 통해 증명한 주인공이다. 56년간 아무도 증명하지 못했던 물리학계의 난제를 풀어낸 것이다. 김 박사는 자신의 이론을 '홀 드리븐(Hole-driven) MIT 이론(Theory)'으로 명명했다.

절연체는 한마디로 전기가 통하지 않는 물질이며, 금속(도체)는 전기가 잘 통하는 물질을 말한다. 반도체는 전기가 반만 통하는 물질인데, 전기가 통한다는 것은 원자를 구성하는 핵과 전자 가운데 전자가 자유롭게 움직이면서 생기는 에너지(전류)를 의미한다.

김 박사는 "전자는 마이너스 성질을 띠고 있어, 전자와 전자가 만나면 서로 밀어내면서 일정 거리를 유지하는데, 이 저항하는 힘을 '쿨롱 에너지'라고 한다"면서 "이 쿨롱 에너지때문에 전자끼리 서로 밀어내면서 자유전자가 움직이지 못하는 금속을 바로 '모트 부도체'라고 한다"고 설명했다.

이어 김 박사는 "그러나 쿨롱에너지를 줄이면 자유전자간에 균형이 깨져 갑자기 전자가 움직이면서 전류가 흐르게 되는 금속으로 성질이 바뀌게 된다"면서 "이 균형을 깨기 위해서는 전자와 서로 당기는 힘을 발휘하는 플러스 성질의 전공(hole)을 삽입하는 것"이라고 했다. 김 박사는 바로 이 부분을 증명할 수 있는 공식을 만들고 이를 실험을 통해 증명했다.

그러나 이 실험은 결코 쉬운게 아니었다. 김 박사는 "이론상 가능한 것이지만 실험과정에서 갑자기 전류가 급격히 상승하면서 과부하가 생긴다거나 실험장비가 타버리는 상황이 많이 벌어졌다"면서 "물질의 구조가 변하지 않는다는 것을 '라만 실험'을 통해 증명해야 하는데, 실험물질을 바나디움산화물(VO₂)을 이용했다"고 했다.

일반적으로 물질이 변하면 물질의 구조도 변한다. 얼음에서 물로, 수증기로 바뀔때 원자 구조가 바뀌는 것과 같은 이치다. 그러나 이번 실험은 물질은 변하지만 구조는 그대로 유지하는 것을 증명해야 하는 것이다. 이것을 '모트 금속-절연체 전이현상'이라고 하는데, 이번의 연구성과로 고체와 액체, 기체에서 일어나는 절연파괴 등 지금까지 미해결로 남아있는 다른 물리현상들에 대한 실마리도 제공하게 됐다.

김 박사는 "향후 이 연구성과를 응용할만한 기술분야는 매우 광범위하다"면서 "전기전자기기에서 잡음을 제거하는 소자를 개발하거나 차세대 메모리, 차세대 디스플레이 등이 유망한 응용분야이며, 이 기술은 머지않아 활용할 수 있을 것"으로 기대했다.

임주환 ETRI 원장은 "금속-절연체 전이 기술에 기반을 둔 각종 응용소자와 향후 이들의 대량생산할 수 있는 원천기술 개발에 박차를 가하고 있으며, 고전압 잡음 제거용 MIT 소자 상용화에 노력하고 있다"고 밝혔다.

(머니투데이 / 윤미경 기자 2005-9-1)

기초과학의 약소국이었던 한국에서 세계 물리학계를 뒤흔들 만한 ‘사건’이 터졌다.

한국전자통신연구원(ETRI)의 김현탁 박사팀이 무려 56년간 풀리지 않았던 물리학의 난제 ‘절연체가 전기가 통하는 금속물질로 바뀌는 현상’을 이론적으로 정리하고 실험을 통해 입증해 냈다.

이 원천기술을 응용할 경우 산업의 쌀로 불리는 반도체는 물론이고 액정표시장치(LCD) TV 등에 쓰이는 회로, 과전압방지소자 등 온갖 전자ㆍ전기 분야에서 값싸고 속도가 빠르면서도 효율성이 높은 제품을 구현할 수 있다. 김 박사는 “앞날이 불을 보듯 뻔하다”며 무궁무진한 활용성을 설명했다.

이번 성과가 알려지면서 국내외 유명 학자들이 일제히 놀라움을 표시했다. 일본의 야수모토 다나까 쓰쿠바대 교수는 “한국 최초 노벨물리학상을 수상할 후보 한 명”이라고 극찬했고 부산대 장민수 교수는 “세계 물리학사 및 고체 물리교과서에 길이 남을 수 있는 업적”이라며 평하기도 했다.

이처럼 놀라운 연구결과를 낸 김 박사지만 그러나 막상 연구 진행과정은 고난의 연속이었다. 국내 기초과학에 대한 투자 부족으로 연구비 조달부터가 어려웠다.

김 박사는 “92년에 쓰쿠바대에서 박사과정을 밟던 중 단순한 아이디어에서 시작했다”며 “이후 연구과정은 사실 남 모르게 해 왔다”고 말했다. 그는 “98년 ETRI에 들어와 이 연구를 계속했지만 밖으로는 이런 연구를 한다고 할 수 없어 다른 과제를 내걸고 연구를 진행했다”고 덧붙였다. 김 박사의 명함에는 기반기술연구소의 테라전자소자팀장으로 찍혀 있다. 이번 연구의 공식 과제명도 ‘테라급 트랜지스터 개발’로 돼 있다. 연구비를 조달하기 위해선 원천기술보다 당장 실무에 쓰일 수 있는 기술명이 필요하기 때문이다.

김 박사는 “남은 것은 기업에서 어떻게 응용하는가”라며 “자신은 이번 기술을 바탕으로 다시 고온 초전도 현상에 매진할 것이기 때문에 조용히 연구실로 돌아가게 도와 달라”고 얘기했다. 다만 이번 연구를 함께했던 강광용 박사는 “혹여 재원이 마련되면 부족한 연구인력도 충원하고 초정밀 계측기 같은 장비도 더 들였으면 한다”며 그동안의 어려움을 간접적으로 내비쳤다.

(헤럴드경제 / 안효조 기자 2005-9-2)