에너지 제어·압축 동시 수행하는 新 물질 설계

국내 연구팀, 결정과 비결정 기능 동시에 갖는 새로운 물질 이론적으로 증명

▲결정(위), 준결정(아래)에서 시작해 초대칭 변환으로 얻어진 무질서 구조.[자료제공=서울대]

[아시아경제 정종오 기자] 에너지 제어와 압축이 동시에 가능한 물질이 설계됐다. 국내연구팀이 초대칭 이론을 활용해 결정 물질의 에너지 제어 가능성과 비결정 물질의 에너지 압축(집속) 기능을 동시에 갖는 새로운 물질에 대한 실마리를 풀었다.

빛이나 전기를 전달해주는 물질인 매질은 크게 구성 입자의 배열이 규칙적 결정 매질과 그 배열이 불규칙한 비결정 매질로 분류된다. 결정 매질은 빛이나 전자와 같은 파동에너지(주파수)를 특정 영역으로 제어할 수 있어 레이저, 반도체, 태양전지 등에 응용된다. 비결정 매질은 파동에너지를 특정 '공간'에 집중시켜 압축시킴으로써 고성능 반도체·광학 소자 제작에 사용된다.

현재까지 결정과 비결정 구조의 장점, 즉 에너지의 제어와 압축이 동시에 가능한 매질을 구현하는 것은 불가능하다고 여겨졌다.

연구팀은 입자물리학의 초대칭(Super-symmetry) 이론을 비결정 무질서 매질의 설계에 최초로 적용했다. 초대칭 이론이란 세상을 구성하는 모든 입자는 스핀(spin) 값만 다르고 다른 모든 성질은 같은 초입자 (Super-particle)라는 짝을 갖는다는 이론이다.

결정 매질의 입자를 나타내는 함수에 수학식을 이용해 초입자의 함수로 바꾸는 '초대칭 변환'을 계속해 적용할 경우 결정구조가 사라져 원자 배열이 무질서한 물질 입자의 함수를 얻을 수 있다. 변환의 결과로 얻은 물질은 결정 매질의 에너지 제어 특성은 그대로 보존되면서 비결정 매질의 장점도 함께 갖는다. 국내 연구팀이 이를 이론적으로 증명한 것이다. 결정과 비결정 구조의 장점만을 골라 갖는 비결정 신매질을 설계하는데 성공했다.

이번 연구 성과를 바탕으로 완벽한 에너지 특성을 갖춘 동시에 수십 배의 에너지 압축이 가능한 다양한 신소재를 설계할 수 있게 됐다. 레이저와 반도체 소자의 성능을 혁신적으로 개선하는 등 다양한 전자 소자 개발에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

기존에 연구된 모든 결정구조에 초대칭 변환식을 적용해 쉽게 원하는 특성을 가진 물질로 설계할 수 있다. 이를 이용하면 마치 명품 바이올린과 모양은 다르나 똑같은 소리를 내는 초대칭 바이올린을 제작하는 것처럼 사용이 어려웠던 저품질 재료라도 원하는 특성에 맞도록 변환시킬 수 있다. 산업에 활용될 경우 그 파급력이 클 것으로 예상된다.

서울대학교 전기정보공학부 박남규 교수(교신저자) 연구팀이 이번 연구를 수행했다. 연구결과는 국제학술지 '네이쳐 커뮤니케이션스(Nature Communications)' 9월16일 자 온라인판(논문명: Bloch-like waves in random-walk potentials based on supersymmetry)에 실렸다. 제1저자는 유선규 서울대 박사이다.

박남규 교수는 "입자 물리에서 초끈 이론에만 활용되던 초대칭 이론을 광학과 반도체의 실용적 영역으로 끌고 왔다는 점에서 큰 의미가 있는 새로운 융합 기술"이라고 설명했다.

정종오 기자 ikokid@asiae.co.kr