초전도 물질을 단층으로 쪼개니 성질이 변했다

원자력연구원 김규 박사, 세계 최초 이리듐-다이텔루라이드 단층화 성공
물질 특성 활용해 신소재 개발에 응용 가능

한국원자력연구원 중성자과학부 김규 박사

[파이낸셜뉴스] 한국원자력연구원 중성자과학부 김규 박사가 국내외 공동연구를 통해 세계 최초로 초전도 층상 물질인 이리듐-다이텔루라이드를 원자 두께의 단층 평면으로 만드는데 성공했다. 또한 전기저항이 거의 없는 초전도 성질을 가진 이리듐-다이텔루라이드가 평면화로 되면 전기 전도성이 사라져 부도체로 변한다는 것도 밝혀냈다.

김규 박사는 3일 "반데르발스 물질의 특이한 양자역학적 성질을 활용하면 신소재 개발 가능성이 무궁무진하다"며, "층간 상호작용을 변화시켜 물질의 성질을 바꾸고 원리를 규명한 이번 경험을 토대로, 앞으로 새로운 소재를 만드는데 응용할 수 있을 것"이라고 말했다.

반데르발스 물질은 층층이 결합된 3차원과 단층이 비슷한 구조와 성질을 갖는다고 알려져 있다. 그중 이리듐-다이텔루라이드는 초전도성과 특이한 구조로 전세계 연구진에게 주목받는 신소재다.

연구진은 기판 표면에 분자나 원자를 쪼여 박막 결정을 만드는 분자빔증착법(MBE)으로 이리듐-다이텔루라이드를 단층화했다. 자세히 살펴본 결과, 반데르발스 구조로 느슨하게 결합된 3차원 결정과 달리, 단층으로 이뤄진 이리듐-다이텔루라이드는 서로 강하게 결합된 새로운 양자 형태를 띄고 있었다.

또한, 도체 및 초전도성을 갖는 3차원 결정과 달리 단층 결정은 전기가 통하지 않는 부도체 특성을 지녔다.

연구진은 이론계산과 여러 실험으로 단층 결정의 속성이 달라진 원인까지 밝혀냈다. 이리듐-다이텔루라이드의 성질이 변한 것은 층 사이 활발한 상호작용이 그 원인이다.

기존 3차원 결정에서 텔루륨은 맞닿은 다른 층 텔루륨과 전자를 공유한다.

그러나 층 분리로 인해 상호작용이 사라지면 텔루륨은 같은 층 이리듐 원자의 전자를 흡수하고, 전자를 뺏긴 이리듐 원자들은 서로 강하게 결합한다. 구조가 바뀌면서 물질의 성질도 변하게 된 것이다.

김 박사는 미국 로렌스버클리 국립연구소 황진웅·모성관 박사와 캘리포니아대(UC Berkeley) 연구팀, 경북대 김수란 교수, 군산대 김봉재 교수, 부산대 황춘규 교수와 함께 연구해 그 결과를 세계적 과학 전문지인 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 온라인판 2월 16일자에 게재했다.


[e-mail] 김만기 기자