고온초전도 현상의 베일을 벗기다
2차원 물질에서 ‘홀스타인 폴라론’ 입자 발견
연세대학교 물리학과 김근수 교수님 인터뷰
폴라론은 물질 속 전자가 주변 원자를 강하게 끌어당겨 원자 배열의 왜곡을 동반하며 움직이는 합성 입자를 말한다. 그리고 이 폴라론 입자의 거동을 설명하는 대표적인 이론 모델이 바로 홀스타인 폴라론이다. 홀스타인 폴라론은 1950년대에 처음 예측된 이후 고온초전도 현상이나 태양전지 효율성 저하 등 여러 물리학 난제를 설명해 줄 열쇠로 기대를 모았지만, 검증할만한 적당한 물질계가 존재하지 않아 실험적인 관측이 매우 어려웠다.
그러나 최근 연세대학교 김근수 교수 연구팀이 2차원 물질에서 홀스타인 폴라론 입자를 발견하고, 초전도성이 나타날 때 폴라론 입자의 결합 세기가 점차 증가함을 밝혀내 폴라론에 의한 초전도 메커니즘 규명에 한 걸음 다가섰다. 이번 결과는 고온초전도 현상의 비밀을 푸는 것은 물론 2차원 반도체 소자의 한계를 극복하는 데 중요한 단초가 될 것으로 기대를 모은다.
이황화몰리브덴의 초전도 현상 발생에 주목
현대 고체물리학의 화두는 고체 물질에 존재하는 새로운 합성 입자를 탐색하고 그로 인해 발현된 물성을 이해하는 것이다. 새로운 합성 입자 발견의 핵심은 폴라론이라고 할 수 있다. 고체 내에 자유 전자가 있으면, 그 주변의 원자들이 전자로부터 영향을 받아 위치를 바꿔 전자 주위의 원자 배열에 변화가 생기는데, 이처럼 전자가 고체 내에서 원자 배열에 변형을 수반하며 운동하는 입자를 폴라론이라고 한다.
1933년 소비에트 과학자 란다우에 의해 도입된 이후 폴라론 결합에 의한 고온초전도 메커니즘(바이폴라론 모델), 트랜지스터와 태양전지의 효율성 저하 등 수많은 물리학 난제의 숨은 비밀을 밝혀줄 열쇠로 지목되어 왔다.
특히 1959년 홀스타인에 의해 제안된 홀스타인 폴라론은 원자 배열을 포함해 상호작용이 작은 폴라론과 큰 폴라론의 거동을 고루 기술 가능한 모델로, 물질에서 발생하는 폴라론 입자의 거동을 설명하는 대표적인 이론 모델이다.
이 모델은 해석적으로 푸는 것이 매우 어려웠지만 최근 이론적 근사과 계산 기술의 발전에 힘입어 홀스타인 폴라론의 분광학적 성질을 이해하는 이론적 토대가 마련되기에 이르렀다.
하지만 예측된 성질을 검증할만한 적당한 물질계가 존재하지 않았기 때문에 실험적인 관측이 어렵다는 한계가 존재했다. 그러나 최근 연세대학교 물리학과 김근수 교수 연구팀이 2차원 물질에서 홀스타인 입자를 발견하는 데 성공하며 기존의 한계를 뛰어넘는 성과를 거뒀다.
원자 수준의 두께를 갖는 2차원 물질은 얇고 유연하며 전기적·광학적 특성이 우수해 차세대 반도체 소재로 주목받는 신물질이다. 대표적으로 그래핀, 포스포린, 전이금속 칼코게나이드 등을 꼽을 수 있다. 2차원 물질의 중요한 특징은 외부 전기 신호나 도핑을 통해 전하량을 자유자재로 조절할 수 있다는 점이다.
최근 물리학계에서는 이러한 2차원 물질의 제어 가능한 전하량을 활용해 ‘2차원 자성’ 또는 ‘2차원 초전도’와 같은 양자 현상에 대한 기초 연구를 활발히 진행하고 있다.
연구팀은 새로운 합성 입자를 발견하는 데 있어 2012년 일본 동경대 그룹에서 보고한 바 있는 ‘2차원 물질의 초전도 현상’에 주목했다.
2차원 반도체 이황화몰리브덴(MoS2)에 전자를 도핑하면 고온초전도체와 유사한 특징의 초전도 현상이 발생한다는 사실을 밝혀낸 것이었는데, 그 근본적인 원리는 수수께끼로 남아 있었다. 이황화몰리브덴은 전이금속(몰리브덴, Mo)과 칼코겐(S) 원자들이 그래핀과 유사한 형태의 평면구조를 이루는 대표적인 2차원 반도체 물질이다.
“2차원 반도체의 제어 가능한 물성은 반도체 소자 응용에도 중요하지만 기초 학문 연구에도 매우 유용하게 활용할 수 있습니다. 만약 이런 제어 가능한 물성을 이용해 기존에 발견된 적이 없던 새로운 합성 입자를 유도하고 발견해 낸다면 엄청난 학문적 파급효과가 나타날 것으로 기대됩니다.
이에 우리 연구팀은 최근 이황화몰리브덴에서 흥미로운 2차원 초전도 현상이 보고된 부분에 주목했고, 새로운 합성 입자가 발견될 확률이 가장 높다고 판단했습니다.”
이황화몰리브덴에서 홀스타인 폴라론 신호 감지
연구팀은 초고진공 환경에서 이황화몰리브덴 표면에 루비듐(Rb) 원자를 분사해 전자 도핑을 유발했고, 각분해광전자분광(ARPES)을 통해 도핑된 전자의 분광학적 특징을 정밀하게 측정했다.
각분해광전자분광은 아인슈타인의 광전효과 원리를 이용해 고체 물질의 전자 구조를 측정하는 실험 기법으로 주로 방사광가속기의 밝은 빛을 활용한다. 따라서 방사광가속기의 각분해광전자분광 장치 성능과 이를 활용하는 연구팀의 역량이 매우 중요하다.
“연구자들이 발견하지 못했던 새로운 합성 입자를 발견하려면 무엇보다 세계적인 수준의 분해능을 갖춘 실험 장치가 필요합니다. 우리 연구팀의 강점이라고 할 수 있는 각 분해광전자분광의 경우 국가 차원의 대형연구시설인 방사광가속기를 활용하는데, 우리나라 방사광가속기의 각분해광전자분광 장치도 매우 우수한 편이지만 아직 세계 최고 수준에 미치지 못하는 측면이 있습니다.
이를 극복하기 위해 영국 다이아몬드 방사광가속기 연구소에서 일주일 동안 활용할 수 있는 기회를 얻어 실험을 수행했고, 그 기간 안에 모든 데이터를 확보하고자 모든 연구원들이 밤낮없이 실험을 수행했습니다.”
이처럼 그동안 축적해 온 2차원 물질과 각분해광전자분광에 대한 경험과 노하우, 여기에 우수한 성능의 장치가 시너지를 이루면서 연구팀은 세계 최고 수준의 에너지 분해능에 도달할 수 있었다. 그리고 이를 바탕으로 연구에 모든 역량을 쏟은 결과 마침내 홀스타인 폴라론의 미묘한 신호를 감지해 내는 데 성공했다.
홀스타인 폴라론의 분광학적 특징을 측정할 수 있다면, 종래 불가능했던 폴라론 상호작용의 세기 변화를 추적하는 것도 가능하다. 따라서 연구팀은 2차원 초전도 현상이 나타날 때 폴라론의 상호작용 세기가 점차 증가한다는 사실을 규명하기도 했다.
즉, 폴라론 입자와 초전도 현상 간의 숨은 연관성이 모습을 드러내기 시작한 것이다. 이 결과는 고온초전도 현상을 폴라론 간 결합으로 설명하는 이론 모델을 뒷받침하는 만큼 후속 연구가 더욱 기대된다.
홀스타인 폴라론 발견은 학문적인 측면뿐 아니라 응용적인 측면에서도 의미가 크다. 2차원 물질 기반의 트랜지스터, LED, 태양전지 등에서 전하이동도와 같은 소자 물성의 근본적인 한계가 바로 홀스타인 폴라론과 밀접한 관련이 있기 때문이다.
따라서 2차원 반도체의 물성 한계를 극복하고 궁극적으로 실용화를 달성하기 위해서는 홀스타인 폴라론 입자를 이해하는 것이 중요하다.
“이번 연구성과는 물리학에서 관측이 어려웠던 홀스타인 폴라론을 2차원 물질을 이용해 발견한 것으로, 폴라론에 의한 초전도 메커니즘을 규명함에 있어 중요한 역할을 할 것입니다. 궁극적으로는 물리학의 오랜 난제인 고온초전도 현상의 비밀을 푸는 데 중요한 단초를 제공할 것으로 기대됩니다.
이뿐 아니라 2차원 반도체 소자의 성능 한계를 물리적으로 이해하고 그 한계를 극복하는 기술을 개발하는 데에도 유용하게 쓰일 수 있습니다.”
김근수 교수는 고온초전도의 비밀에 한 걸음 더 다가설 수 있도록 후속연구에 더욱 역량을 집중할 예정이다. 먼저 단기적으로는 폴라론과 초전도의 연결 고리를 이해하는 데 초점을 맞춰 연구를 진행하고, 장기적으로는 2차원 물질의 물성 제어 기술을 더욱 고도화해 새로운 입자나 양자 현상을 탐구하며, 이를 이용해 전자 소자가 동작하는 물리학적 원리를 새롭게 창안하는 데 도전할 계획이다.
김근수 교수 연구팀의 이번 연구성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업, 연세대 미래선도연구사업, 포스코청암재단 포스코사이언스펠로십의 지원으로 수행되었으며, 세계적인 권위지 ‘네이처 머티리얼스(Nature Materials)’지에 2018년 5월 28일 게재되었다.
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포스포린 밴드갭 제어로 ‘꿈의 신소재’ 가능성 열어
김근수 교수의 이름이 과학계에 알려진 것은 비단 이번 연구성과가 발표되었을 때만이 아니다. 박사과정부터 탄탄히 다져온 실력과 창조적인 역량을 인정받으며 이른바 ‘될성부른 나무’로서의 면모를 보여 왔다. 먼저 2008년에는 연세대학교와 한국방사광이용자협회로부터 각각 우수논문상을 수상했고, 2010년에는 한국물리학회의 젊은물리학자상을 수상하기도 했다.
특히 2016년 3월에는 미래창조과학부와 한국연구재단으로부터 이달의 과학기술자상 수상자로 선정되며 촉망받는 신진연구자로서 입지를 확고히 다졌다. 2015년 김근수 교수가 2차원 물질인 포스포린의 전자물성 제어 기술 개발을 통해 초소형, 고성능 반도체 신소재 개발의 발판을 마련하고, 새로운 양자 상태를 최초 발견한 점이 수상자 선정에 가장 큰 영향을 미쳤다.
당시 김근수 교수는 포스포린 밴드갭을 변환시켜 물성을 반도체에서 도체까지 자유자재로 변환 가능한 기술을 개발하는 데 성공했다. 이는 꿈의 신소재로 각광받고 있는 그래핀의 최대 단점인 전류흐름 통제의 어려움을 극복하고, 초박막 반도체 신소재의 상용화 가능성을 열었다는 점에서 의미가 컸다.
“인(P) 원자로 이뤄진 2차원 평면구조의 나노물질, 포스포린은 탄소(C)로 이뤄진 그래핀과 원자배열이 유사하나 규칙적으로 주름진 구조를 갖기 때문에 외부 스트레인이나 전계효과로 물성을 조작하기에 용이합니다. 이에 연구팀은 포스포린의 구조적 특징에 주목해 표면에 알칼리 금속원자를 흡착시켜 강한 전계효과를 유발했죠. 그 결과 슈타르크 효과로 인해 포스포린 밴드갭을 폭넓게 조작하는 데 성공할 수 있었습니다.”
조작 가능한 밴드갭의 범위는 두 겹 층 그래핀의 세 배가 넘으며, 포스포린의 전자물성은 반도체로부터 도체에 이르기까지 자유자재로 변환 가능하다. 이러한 밴드갭 조절의 원리는 이미 상용화된 전계효과 트랜지스터에 비교적 쉽게 적용할 수 있고, 다른 2차원 반도체에 일반적으로 적용 가능하기 때문에 활용범위도 매우 넓다.
이뿐 아니라 연구팀은 밴드갭이 0에 이를 때 그래핀의 우수한 물성의 근원에 해당하는 디락준도체 상태가 포스포린에 나타나는 것을 최초로 발견하기도 했다. 이는 원자 한 겹 두께의 고성능, 초소형 반도체 소자 개발에 중요한 단서를 제공, 다양한 후속 연구의 밑바탕을 마련한 것이라고 할 수 있다.
이처럼 포스포린 표면에 칼륨원자를 흡착시켜 밴드갭을 제어하는 기술을 발견한 데 이어 2017년 11월에는 밴드갭 제어 기술을 더욱 고도화해 포스포린에 디락 입자를 인공적으로 발생시키는 성과를 거뒀다.
밴드갭이 있어 전류를 제어하기 쉬운 반면 디락 입자가 없어 전하가 훨씬 느리게 이동하는 포스포린의 한계를 극복한 것이다. 디락 입자는 그래핀의 핵심 특성이자 독특한 물성의 근원이지만, 천연상태에서 디락 입자를 갖고 있지 않은 물질에 인공적으로 디락 입자를 만들어 내는 것은 불가능할 것이라고 인식되어 왔다. 따라서 이번 연구는 포스포린의 물성 한계를 뛰어넘어 디락 입자를 인위적으로 유도해낸 최초의 사례라고 할 수 있다.
“포스포린의 밴드갭 제어 범위를 확장해 밴드갭 값이 음수에 이르렀고, 이때 디락 입자가 형성되었습니다. 이렇게 만들어진 포스포린의 디락 입자는 그래핀과 달리 특수한 결정 대칭성으로 보호되어 안정한 입자를 이루는 것을 확인할 수 있었습니다.
이처럼 더욱 완벽한 2차원 반도체 물질을 찾는 것도 중요하지만, 이미 알려진 물질의 한계를 극복하는 물성 제어 기술도 중요합니다. 따라서 이번 연구는 반도체 소자의 작동 원리인 전하량 조절을 밴드갭 제어로 대체하는 새로운 개념의 고성능 반도체 소자 개발에 한 걸음 더 다가섰다는 점에서 의미 있는 성과였다고 생각합니다.”
김근수 교수 연구팀의 2015년 연구성과는 세계 최고권위 과학저널 ‘사이언스(Science)’지에 8월 14일 게재되었으며, 2017년 연구성과는 물리학 분야 국제학술지 ‘피지컬 리뷰레터스(Physical Review Letters)’지에 11월 29일 게재(편집자 추천 논문 선정)되며 학문적 가치를 인정받았다.
물리학계의 신성(新星), 더 나은 세상을 꿈꾸다
우수한 연구진들과 함께 차분히 쌓아 온 연구역량과 항상 새로운 것을 규명하고자 했던 도전정신이 더해지면서 김근수 교수의 연구는 하루가 다르게 빛을 발하고 있다. 그리고 그 저변에는 연구를 향한 올곧은 고집과 진정한 기회는 최선 속에서 찾아낼 수 있다는 확고한 믿음이 자리하고 있었다.
“일단 아이디어가 생각나면 이것을 어떻게 현실에서 구현해낼 것인지 노력하고, 결과가 나올 때까지 파고드는 편이죠. 특히 순수학문에서는 논문이 중요한 만큼 그동안 연구원들이 흘린 땀과 열정이 고스란히 담길 수 있도록 세심하게 신경 쓰고 있습니다.
논문도 예술가들의 작품 활동과 마찬가지라고 생각합니다. 예술가들이 자신의 예술관을 완벽히 작품에 녹여내기 위해 선 하나까지 신경 쓰는 것과 마찬가지로 저도 논문을 쓸 때에는 디테일 하나 하나 다듬으며 다소 집착적일 정도까지 최선을 다하고 있습니다.
연구에서만큼은 일관되고 고집 있게, 열심히 하는 것처럼 강한 무기는 없다고 생각합니다.”
이처럼 김근수 교수는 연구자로서의 길에 들어선 후에는 앞만 보며 최선을 다해 달려왔다. 난관에 부딪혀도 결코 조급해하지도, 노력을 게을리하지도 않았다.
그리고 그 결과 남들이 보지 못한 것들을 발견하며, 과학계에 기여할 기회를 잡을 수 있었다. 김근수 교수는 스스로가 그랬듯 후학들도 최선과 도전이라는 가치에 가장 큰 무게를 두기를 당부했다.
“기회는 지금 자기가 할 수 있는 일에 최선을 다할 때 찾아온다고 믿습니다. 일단 방향을 정했다면 목표를 향한 강한 믿음으로 최선을 다해 연구에 몰입하기를 바랍니다.
또한 기존의 것만을 고집해서는 그 이상이 되기 어려운 만큼 기존 생각의 틀을 벗어난 창의적 사고와 새로운 것을 개발하기 위한 도전정신을 더욱 발전시켜 나갔으면 합니다.”
랠프 왈도 에머슨의 시 ‘성공이란 무엇인가’를 보면 ‘성공은 내가 태어나기 전보다 이 세상을 조금이라도 살기 좋은 곳으로 만드는 것’이라는 구절이 나온다. 김근수 교수의 연구를 향한 열정과 꿈은 이 구절과 맞닿아 있는 듯하다.
지금보다 더 나은 세상을 만들기 위해, 나아가 사람들이 행복한 세상을 만들기 위해 오늘도 김근수 교수는 연구라는 길 위에서 부단히 걸음을 재촉하고 있다.
<이 기사는 사이언스21 매거진 2019년 2월호에 게재 되었습니다.>
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폴라론은 물질 속 전자가 주변 원자를 강하게 끌어당겨 원자 배열의 왜곡을 동반하며 움직이는 합성 입자를 말한다. 그리고 이 폴라론 입자의 거동을 설명하는 대표적인 이론 모델이 바로 홀스타인 폴라론이다. 홀스타인 폴라론은 1950년대에 처음 예측된 이후 고온초전도 현상이나 태양전지 효율성 저하 등 여러 물리학 난제를 설명해 줄 열쇠로 기대를 모았지만, 검증할만한 적당한 물질계가 존재하지 않아 실험적인 관측이 매우 어려웠다.
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