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물리학계의 오랜 문제였던 ‘모트 금속-절연체 전이(MIT) 현상’을 규명하고 그 응용기술을 연구하고 있는 ETRI(한국전자통신연구원) 김현탁 박사 MIT 연구그룹이 미국 UCSD 디미트리 바소브(Dimitri Basov) 교수팀과 함께 세계 최고 권위의 미국 주간 과학잡지 ‘사이언스’지에 연구결과를 발표했다.

ETRI는 14일, MIT 연구그룹이 국제 공동연구중인 미국 UCSD와 함께 “구조 상전이 온도 이하에 있는 금속상태 전자의 유효질량이 증가하는 현상을 분광학(分光學)적인 방법으로 관측하고 분석하는 연구”에 관한 논문을 ‘사이언스’지에 게재했다고 밝혔다.

임계온도 스위치, 내년 3월 기술이전

‘사이언스’지에 실린 논문의 주요내용으로는 MIT 현상이 일어난 후 금속상태에서 전자와 전자간 상호작용이 크면 전자의 유효질량이 증가하는 현상을 분광학적인 방법으로 관측, 분석을 통해 강상관 금속의 존재를 밝혔다는데 의미가 있다고 ETRI는 설명했다.

논문에 실린 결과들은 ETRI MIT 연구그룹이 2004년과 2006년에 각각 발표한 논문에서 이미 예측했던 것으로 ETRI는 본 연구 결과가 모트 MIT 현상을 실험적으로 규명한 선행연구의 재증명이라는 점과 ETRI의 MIT현상규명이 다시 한 번 재확인된 큰 소득이라고 밝혔다.

ETRI는 본 연구 그룹의 MIT 연구가 국제적으로 인정받게 됨에 따라 지난해 9월, 개발에 성공한 “MIT 원리 적용, 임계온도 스위치(PCTS)”의 상용화에 탄력이 붙을 것으로 예상하면서 내년 3월중 기술이전 할 계획이라고 말했다.

‘임계온도 스위치(PCTS)’는 MIT 현상의 응용 연구 결과물로 과열에 의한 휴대폰, 노트북의 배터리 폭발 및 부풀림 방지뿐만 아니라 발열에 의해 오동작 위험이 있는 대부분의 전자기기에 퓨즈처럼 광범위하게 적용이 가능할 것으로 예상된다.

또한 PCTS는 67℃ 이하의 특정 임계온도에서 불연속 전류 점프(급격한 전류 흐름)에 의해 릴레이, 발광 다이오드, 부져, 트랜지스터 등 전류소자를 직접 제어할 수 있을 뿐만 아니라 임의의 특정 온도를 읽을 수 있는 센서로서도 사용이 가능하며, 상품의 요구 규격에 따라 다양하게 제작될 수 있는 특징이 있다.

월 2,000개씩 상용 시제품 생산, 국내업체 무상 제공 계획

현재 ETRI 연구그룹은 MIT 현상 응용 소자인 MIT 스위치의 상용 시제품 및 생산기술과 그 스위치를 포함하는 하이브리드 IC의 기술을 개발하고 있다고 밝히며 지난해와 비교해 ▲실리콘(Si)기판 위에 대면적 박막의 제조를 통한 성능향상 ▲대전류에 강한 박막표면의 특성향상과 산화되지 않는 전극의 개발 ▲예비 생산 라인의 구축 ▲소자의 캔(Can)형, 딥(Dip)형, PCB형 등 패키징 기술의 개발 ▲특히 PCTS와 전력 트랜지스터와의 결합연구 등으로 인해 보다 폭 넓은 응용시장을 발굴하는데 주력하고 있다고 말했다.

ETRI는 MIT 상용 시제품을 월 2,000여개씩 생산, 시험을 통해 성능을 개선하고 있으며 시제품에 대한 성능시험, 상용소자의 규격 확보, 시장선점 등을 위해 국내외 업체에게 시제품을 무상으로 제공할 계획이라고 설명했다. 한편, ETRI는 지난 11월, 중국 상하이에서 개최된 ‘아시아 전자전’에서 PCTS를 소개하였고, 외국의 대기업과 PCTS의 공동 테스트를 수행하고 있으며, 앞으로도 국제적 교류를 통해 MIT 연구 결과의 상용화에 노력해 나갈 방침이다.

PCTS와 같은 온도 스위치의 응용시장으로 예상되는 과열방지 퓨즈 제품 25개 아이템에 대해 현재 세계 시장규모는 약 1,062조원으로 예측되며, 이 시장의 일부는 온도 스위치의 활용이 가능할 것으로 예상했다.

ETRI 김현탁 박사는 “현재 세계적으로 경쟁하고 있는 MIT 응용 분야에서 ETRI가 연구의 주도권을 확보하였다는 것은 우리나라 경제발전에 큰 기여를 할 수 있다는 점에서도 대단히 중요한 의미가 있다”고 말하며 “이번 사이언스지에 실린 논문의 실험 결과들은 모트 MIT 현상의 실험적인 증거로서 제시될 수 있는 매우 중요한 발견들이다”고 덧붙였다.

美, 獨과 국제공동연구, MIT연구 계속지원 할 터

한편, ETRI MIT 연구그룹은 지난 9월, 빛과 결합된 MIT 현상 연구 결과로서 미국 광학회의 대표저널인 ‘옵틱스 익스프레스’지에 “빛의 세기에 따라 전류의 불연속 점프(모트 MIT 현상)가 제어되는 연구”에 관한 논문을 게재했다.

‘옵틱스 익스프레스’지에 게재된 연구 결과는 MIT 소자의 MIT 발생 전압이 빛의 세기로 제어될 수 있다는 것을 김현탁 박사의 MIT 이론을 기반으로 예측하고 이를 실험적으로 확인하였으며, 또한, MIT 소자의 광유도 스위치로의 응용 가능성을 보여주었다는데 큰 의의가 있다.

ETRI는 현재, “MIT 현상규명 및 응용기술 개발”이라는 HR과제의 일환으로 지난 2004년부터 MIT 관련 연구를 진행 중에 있으며 내년부터는 정보통신부 지원으로 과제가 계속 진행될 예정에 있다.

현재까지 MIT와 관련해 국내특허로는 38개 출원에 19개가 등록되었으며, SCI 저널로는 논문 19건 게재되었다.

ETRI 최문기 원장도 “작년에 이어 계속 발표되는 MIT 연구 결과는 ETRI의 자랑이므로 본 MIT 연구가 지속적으로 이어갈 수 있도록 격려를 아끼지 않겠다”고 밝혔다. 또한 “신기술을 선도하는 물리학 및 응용 분야에서 우수한 결과가 나오는 것은 ETRI의 연구능력이 세계적 수준에 도달되어 있다는 것을 증명하는 것이다”고 말했다. <보도자료 본문끝>

Science지 논문작성에 관한 설명

사이언스지에 게재한 논문의 핵심 아이디어는 ETRI의 김현탁 박사와 UCSD의 디미트리 바소브(Dimitri Basov) 교수가 공동으로 제안하였다. 연구비는 ETRI의 HR 프로젝트(High Risk High Return) 과제와 미국 에너지부(US Department of Energy)의 프로젝트에서 제공되었다.

논문의 제 1저자는 뭄타즈 콰질바쉬(Mumtaz. M. Qazilbash) 박사로 UCSD의 박사후 연구원이다. 뭄타즈 박사는 ETRI와 국제공동연구사업(2년 과제)에 참여한 연구원으로 논문초안을 작성하였고, 디미트리 바소브(Dimitri Basov) 교수, 김현탁 박사, 윤선진 박사, Balasky 박사, Maple 교수들의 논문작성 조언에 의해 완성되었다.

ETRI가 국제공동연구에 제공한 연구비는 뭄타즈 박사의 인건비로 사용되었다.

ETRI에서는 채병규 박사, 김봉준 박사, 윤선진 박사가 실험에 사용된 샘플과 물성 측정결과를 제공, 논문작성에 기여하였으며 UCSD의 Qazilbash 박사의 주도로 Ho 박사과정 연구원과 Andreev 박사과정 연구원들이 분광학적 방법으로 반사와 투과를 측정하였다.

독일의 막스 플랑크 연구소의 Brehm 박사와 Kelimann 박사가 마이크로 이미징을 측정하였으며, 미국 국립연구소 로스 알라모스(Los Alamos)의 Balastsky 박사는 이론적 해석에 도움을 주었다.

논문 내용의 중요부분은 김현탁 박사와 Dimitri Basov 교수 간의 많은 토론을 통해 정리되었다. (이것은 ETRI-UCSD 공동연구 협정에 의함.)

<사이언스지 게재관련 참고자료>

[강상관 금속의 실험적 관찰]

(사이언스 논문에 게재된 결과 요약 그림: 왼쪽 그림의 분홍색은 Monoclinic insulator 와 Rutile metal 사이에 Strongly correlated metal이 존재함(2006년 ETRI의 선행논문에서 밝혔음). 오른쪽 그림은 이 분홍색 영역에서 Frequency가 영 근처에서 온도의 증가에 따라 전자의 유효질량비 (m*/m)가 증가하는 현상을 보여줌.)

[임계온도 스위치(PCTS)와 특성]

(위 그림은 패키징된 온도스위치들의 사진이며 아래의 왼쪽그림은 온도스위치의 특성곡선임. 응용처는 오른쪽에 보여줌.)

[MIT기본 참고자료]

전자사이에 반발에너지가 매우 큰 물질에서 금속에서 절연체로 (절연체에서 금속으로; MIT) 전이가 일어날 때 그 전이가 연속으로 일어나는지 불연속으로 일어나는지, 또한 물질의 구조와 전자의 구조 변화가 동시에 일어나는지 아니면 분리되어 일어나는지에 관한 것이 고체물리학 분야에서 학문적으로 오래된 논쟁의 문제였다.

MIT는 1936년에 위그너라는 학자가 MIT를 예언하고, 1949년에 모트 교수가 그것을 수정 보완하여 MIT는 불연속으로 일어난다고 세미나에서 발표한 이래 실험적 증명없이 지금까지 이어져 내려오고 있었다.

지금까지는 절연체나 반도체는 에너지 띠를 가지고 있으며, 그 에너지 띠는 전자와 원자핵의 상호작용에 의해 만들어진다고 상식적으로 알려져 왔고, 만약 MIT가 일어나면 그 상호작용의 증거로서 물질의 구조 변화가 따라서 동반되는 것으로 알려져 왔다.

그런데 전자들 사이에 서로 밀어내는 반발하는 쿨롱에너지가 크면 그 에너지 띠가 원자핵과 전자의 상호작용이 아니라 전자와 전자 사이의 상호작용에 의해 만들어 질 수 있다는 주장이 있었다(모트 아이디어 및 강상관관계 이론).

이것은 MIT가 일어날 때 물질의 구조변화 없이 전자의 구조만 변한다는 것을 의미한다. 이것은 지금까지 실험적으로 증명된 예가 없었지만, 지난해 ETRI의 김현탁 박사팀이 불연속 MIT와 함께 이 사실을 실험적으로 확인하고 유명 물리학 전문 저널에 발표 후 언론에 보도한 바있음.