경희대학교 물리학과 박용섭 교수님께서 내일신문에 과학 칼럼을 게재하셨습니다. [ESC와 함께하는 과학산책] 초전도, 거시 양자현상의 끝판왕 내일신문 오피니언 23-10-17, https://www.naeil.com/news_view/?id_art=476464 많은 관심 부탁드립니다. 이하 칼럼 내용:  지난 몇개월 동안 '상온 초전도체'가 많은 사람들의 관심을 사로잡았다. 국내 연구진이 상온 상압 초전도물질을 발견했다는 논문을 발표하면서 세계적인 이목을 끌게 된 것이다. 'LK-99'라고 명명된 이 물질을 확인하기 위해서 세계적으로 활발한 연구가 진행됐다. 풍문에 민감한 주식시장에서 상온 초전도와 관련이 있는지도 불분명한 종목들의 주가가 춤을 추기도 했다. 도대체 초전도가 무엇이길래 이런 소동이 벌어진 것일까? 전류를 흘릴 때 사용하는 전선에는 모두 저항이 있고, 흘려주는 전류의 제곱에 비례해서 열로 에너지 손실이 발생한다. 발전소에서 가정까지 전력을 전송하거나 모터를 돌려서 동력을 얻을 때 이런 에너지 손실은 적을수록 좋다. 따라서 저항이 작거나 없는 물질로 만든 전선이 있다면 좋을 것이다. 초전도는 전선에 전류가 흐를 때 특정온도(임계온도) 이하에서 저항이 완전히 없어지는 현상이다. 양자역학 이론에서는 금속 내부의 원자가 완벽하게 규칙적인 결정구조이고, 불순물이나 결함도 전혀 없으며, 원자의 떨림도 없다면 저항이 없어진다고 한다. 이런 완벽한 전도체는 실제 존재하지 않지만 존재하더라도 초전도체라 하지 않는다. 초전도체에서 저항이 사라지는 것은 전혀 다른 종류의 양자현상이기 때문이다. 양자역학 발전으로 확인된 초전도 현상 알려진 것처럼 네덜란드의 물리학자 오네스(H. K. Onnes)가 1911년에 끓는 점이 절대온도 4.2K(영하 269℃)인 헬륨을 액화한 후 온도에 따른 금속의 저항을 측정하다 수은에서 초전도 현상을 처음 발견했다. 이 공로로 오네스는 1913년 노벨 물리학상을 수상한다. 이후 다른 여러 물질에서도 초전도가 발견 됐으나 누구도 예상치 못했던 현상이라 물리학자들이 이를 이해하는데 상당한 시간이 걸렸다. 결국 1957년 바딘(J. Bardeen), 쿠퍼(L. Cooper), 쉬리퍼(J. R. Schrieffer)가 발표한 BCS 이론으로 초전도의 원리를 거의 완벽하게 이해할 수 있게 되었다. 이들은 이 공로로 1972년 노벨 물리학상을 받는다. 바딘은 1956년에 트랜지스터 발명으로 받은 후 두번째 노벨 물리학상이었다. 이후 노벨 물리학상을 두번 받은 사람은 아직 없다. BCS 이론에 의하면 일반적인 도체에서는 전류가 흐르는 것을 방해하고 전기저항의 원인이 되는 원자의 진동이 초전도체에서는 전자들을 쌍으로 묶어주는 역할을 한다. 전자가 쌍으로 묶여 움직이면 저항이 없어진다. 이런 현상에 대한 이해는 금속 내부의 전자처럼 아주 많은 입자의 거동 전체를 양자역학적으로 다루는 다체계 물리학의 눈부신 발전이 없었다면 접근조차 불가능한 영역이다. 통상 원자 수준의 미시세계에서만 뚜렷이 드러나는 양자역학이 전선에 전류가 흐르는 거시 현상에 그 신묘함을 발휘해 전기저항을 '0'으로 만든 것이다. 거시 양자현상의 끝판왕이 바로 초전도 현상이다. 어떤 물질의 초전도 임계온도가 높으면 초전도 상태 유지를 위한 비용이 낮으므로 이런 물질을 찾기 위한 연구가 계속되었는데 1986년 전혀 예상치 못한 새로운 물질에서 초전도가 발견된다. 스위스 취리히의 IBM연구소의 베드노르츠(G. Bednorz)와 뮬러(K. A. Muller)가 란타늄-바륨-구리 산화물이 임계온도 35K 초전도체임을 발견한 것이다. 이후 세계적으로 치열한 연구 경쟁이 일어나면서 임계온도 92K의 이트륨-바륨-구리 산화물과, 현재 최고 기록인 138K의 수은-바륨-구리 산화물이 잇달아 발견되었다. 이런 물질을 '고온 초전도체'라고 하는데, 임계온도가 액체질소의 끓는점 77K보다 높아 맥주보다 저렴한 액체 질소를 사용해서 초전도 상태를 유지할 수 있기 때문이다. 하지만 여전히 상온(약 300K)보다는 훨씬 낮은 온도다. 고온 초전도체는 발견된지 거의 40년이 되지만 BCS 이론이 잘 적용되지 않아 그 원리를 완전히 이해하지 못하고 있다. 한편 압력이 높아지면 임계온도가 높아지는 현상에 주목해 200만 기압의 초고압에서 임계온도 290K의 란타늄-수소 화합물도 발견됐다. 상온 상압 초전도체 있다면 인류문명 바뀔 것 이처럼 상온 상압 초전도체가 있다면 전류를 흘릴 때 필연적으로 생기는 불필요한 에너지 손실이 사라지므로 현대 문명에 혁명적 변화를 가져올 수 있다. 과학자들이 이런 초전도 물질을 찾기 위한 노력을 지금도 계속하는 이유다. 상온 상압 초전도체가 아닌 것으로 결국 밝혀지고 있는 LK-99의 과학적 문맥을 독자들도 이제 파악할 수 있으리라 믿는다. 글자크기

2024년도 경희대학교 물리학과 대학원 및 실험실 소개 행사(2024년 10월 12일 오후 4시 30분)가 스페이스21 장진 강의실에서 진행되었습니다.  학과 구성원들의 많은 관심 부탁드립니다. 

우리학과 유건호 교수님이 동아사이언스가 주관하는 국가전략기술에 대한 전문용어 전문가 좌담회에 참석하셨습니다.  본문 링크: https://www.dongascience.com/news.php?idx=61889 [발췌 부분] 실제 같은 현상이나 물질을 가리키는 용어이지만 학계마다 다르게 사용하는 용어도 있다.  유건호 경희대 물리학과 교수는 "물리학과에선 전기력이 작용하는 공간을 '전기장'이라고 부르지만 전기공학에선 '전계'라고 부른다"고 예를 들었다.  전기장과 전계는 모두 영어로 'electric field'로, 전하가 힘을 받는 공간을 가리킨다.  그러나 물리학도, 전기공학도 전공하지 않은 사람이라면 두 용어가 완전히 같은 개념임을 직관적으로 파악하긴 쉽지 않다. 유건호 경희대 물리학과 교수가 지난달 초 서울역에서 열린 '과학기술분야 전문용어 사용의 문제점' 좌담회에서 발언하고 있다.  박정연, 박건희 기자

Significant enhancement of output performance of piezoelectric nanogenerators based on CsPbBr3 quantum dots-NOA63 nanocomposites 경희대학교 물리학과 유건호 교수 연구팀은 한양대학교 융합전자공학부의 김태환 교수 연구팀과 함께 고효율의 압전나노발전기에 대한 연구 결과를 7월 나노에너지(Nano Energy, IF 17.881)에 발표하였다. 최근 의료용이나 디스플레이용 소자를 옷에 부착하여 사용하는 것이 관심을 끌고 있는데, 이 소자들을 구동하려면 전기에너지를 공급하는 소자가 같이 부착되어야 한다. 이런 목적으로 유망한 소자 중 하나가 몸이 움직이는 기계적 에너지를 전기에너지로 전환하는 압전나노발전기(piezoelectric nanogenerator)이다. 나노발전기는 옷에 부착하는 것이므로 작고 유연하며 발전 효율이 높아야 한다. 이 연구에서는 CsPbBr3 양자점을 Norland Optical Adhesive 63(NOA 63) 기반 물질에 고르게 섞은 박막을 압전층으로 사용한 압전나노발전기를 만들어 기존의 압전나노발전기들보다 효율이 높다는 것을 보였다. 그림 1은 압전나노발전기를 눌렀다 떼거나 진동시키거나 구부릴 때 전압이 출력되는 것을 보여주고 있으며, 그림 2는 이 발전기에 이 브리지 정류회로와 발광다이오드를 연결하여 발광다이오드에서 빛이 나오는 것을 보여준다. 그림 1. 그림 2.

고려대학교 KU-KIST 융합대학원 이철호 교수팀과 경희대학교 김영덕 교수 팀이 원자층 반도체, 이황화 몰리브덴의 전하이동도를 향상시킬 수 있는 원거리 도핑기술을 개발하여 국제학술지 네이처 일렉트로닉스 [Nature electronics 4, 664(2021)]에 9월 13일 게재됐다. 반도체에 전자 등을 추가로 주입하는 도핑과정을 거치면 반도체의 특성을 바꾸거나 새로운 특성을 부여할 수 있다.그러나 이 과정에서 불순물이나 결함 등이 생겨나는데 특히 얇은 원자층 반도체의 경우 잔류하는 불순물에 전하가 충돌하면서 전하의 이동이 느려지는 것이 문제였다. 이번 연구팀은 이러한 제한점을 해결하기 위해 서로 다른 3개의 원자층 반도체를 적층하고 전하가 이들 층간을 이동하도록 함으로써 물질 내부 또는 표면에 자리한 불순물과 충돌을 줄일 수 있는 구조를 설계했다. 연구과정을 보면 원자층 반도체의 에너지 밴드구조를 비교하여 변조 도핑이 가능한 구조를 만들기 위해 다양한 원자층 반도체 물질 후보군 및 이종접합 구조를 선별했다. 이어 선별된 물질 후보군 및 이종접합 구조에서 층간 전하 이동 및 도핑이 원활하게 이루어지는지 확인하고자 도핑에 따른 광 발광 특성 및 전기 전도도 측정을 진행했다. 이 과정에서 이셀레늄화텅스텐/육방정 질화붕소/이황화몰리브덴(WSe2/hBN/MoS2) 이종접합 구조에서 층간 전하이동에 의해 광발광 특성이 변화하는 양상과 이황화 몰리브덴 단일 층에서와 마찬가지로 변조 도핑을 통해 채널의 전기 전도도가 증가하는 것을 측정할 수 있었다. 이 연구결과에 의하면 실제 만들어진 이종접합 소자는 기존 소자보다 전하이동도가 18배 향상됐다. 연구관계자는 “다양한 도핑방법 및 이종접합 소자구조에서도 적용될 수 있기 때문에 다른 원자층 반도체에도 접목할 수 있을 것”이라고 말했다.

Voltage-switchable photocurrents in single-walled carbon nanotube–silicon junctions for analogue and digital optoelectronics 경희대학교 물리학과 권영균 교수 연구팀은 미국 Northeastern 대학교 기계산업공학과 정영준 교수 (2013.03.01~2014.02.28 기간 동안 경희대학교 물리학과 소속의 International Scholar), 물리학과 Swastik Kar 교수 연구팀과 공동으로 연구한 논문을 2월17일 광학분야 최고학술지인 네이처포토닉스(Nature Photonics)지에 게재하였다. 권 교수 연구팀은 이 논문에서 탄소 나노튜브와 실리콘의 새로운 접합 소자에서 매우 독특한 비선형 광 전류 특성을 측정하였고, 그 메커니즘을 밝혀냈다. 또한 이 소자를 이용하여 빛과 전자를 입력으로 하는 매우 효율적인 논리 연산을 구현하였다. 기존의 광전자소자의 광 전류는 역방향 전압에 대한 의존성이 거의 없는 것으로 알려져 있다. 하지만 이 연구에서 제안하는 나노튜브-실리콘 접합 소자에서는 역방향 전압을 증가시킴에 따라 광 전류가 비선형적으로 매우 빠르게 증가하는 것을 측정하였고, 제일원리 방법으로 접합부의 전자구조를 분석하여 그 메커니즘을 밝혔다. 광 전류는 빛에 의해 들뜬 전자들이 전도 띠로 들어가 흐르는 것인데, 들뜬 전자가 들어갈 수 있는 전도 띠에 존재하는 상태 수가 역방향 전압에 따라 비선형적으로 변화하며 그 변화가 비선형 광전류 특성과 일치함을 보였다. 권영균 교수는 “이번 연구 결과를 통해 전자 회로와 포토닉스를 결합하는 새로운 방식을 제안하였고 이를 이용하여 보다 효율적인 광전자 트랜지스터 및 다양한 광전자 논리 회로, 디지털-아날로그 컨버터, 그리고 디지털카메라의 이미지센서에 이르기까지 여러 가지 광전자 응용에 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다. 한편, 이번 연구는 권영균 교수가 공동교신저자로 참여하였으며, 박소라 박사과정 학생(2014년 2월 박사학위 취득)이 공동저자로 참여하였다.